Brevet FR2076004A1 — publié le 19711015

La présente invention concerne les condensateurs à jonction diffusée et leurs procédés de fabrication. Il est bien connu dans l'art antérieur de former das diodes à capacité variable et les similaires en utilisant les techniques de diffusion où, 5 par exemple, on forme une jonction PN en diffusant d'abord un dopant donneur dans un substrat et ensuite en diffusant un dopant accepteur dans ce substrat. Par exemple, comme on le montre dans le brevet américain 3 392 067, on forme d'abord une région de type N dans un substrat de silicium en y diffusant du bismuth. Ensuite, on diffuse le bore à travers la région de type N dans 10 la pastille jusqu'à ce que la densité de surface du bore atteigne un ordre de puissance supérieur à la densité du bismuth, formant ainsi dans la pastille une région de type P, qui, avec la région de type N, forme une jonction très brutale. Ce type de procédé cependant, ne permet que la formation d'une jonction 15 PN unique, et, dans ce cas une diffusion d'isolement séparée est nécessaire» La présente invention surmonte les deux défauts ci-dessus de l'art antérieur, et apporte un nouveau condensateur à double jonction diffusées et un nouveau procédé de fabrication. La présente invention apporte un nouveau procédé pour construire des 20 condensateurs à jonction diffusée sur deux eûtes, en utilisant, entre autre, deux impQretés de dopant qui ont des vitesses de rétro-diffusion différentes dans la pastille semiconductrice. Des impuretés de deux types différents, telles que N+ et P+, sont diffusées dans la pastille du substrat. Ces impQretés peuvent avoir des vitesses de rétro-diffusion différentes. Comme on peut 25 le voir, si l'impQreté P+ est diffusée à une profondeur plus grande que l'impûreté N+, on obtiendra une jonction P+-N+. On fait croître alors une couche épitaxiale sur la jonction. On permet aux impQretés N+ et P+ de rétro-diffuser dans cette nouvelle couche épitaxiale, et l'impQreté qui a la vitesse de rétro-diffusion la plus rapide occupera un volume beaucoup plus important 30 que l'impQreté qui a une vitesse de rétro-diffusion plus lente.En supposant que l'impQreté P+ a une vitesse de rétro-diffusion plus rapide, elle formera, un volume plus important par rétro-diffusion et on obtiendra une seconde jonction P+-N+. Le résultat final est un condensateur à jonction à double diffusion 35 ayant une capacité très élevée par zone d'unité. Un objet de la présente invention est de réaliser un condensateur à jonction diffusée où aucune diffusion d'isolement n'est nécessaire. Un autre objet de la présente invention est de réaliser un condensateur présentant, dans une de ses réalisations, une résistance en série réduite. 40 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention # COPY 70 47126 2 2076004 rassortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Les figures 1-8 représentent des schémas montrant la formation d'un dispositif selon la présente invention! 5 La figure 9 représente un schéma d'un dispositif produit salon la présen te invention et illustrant la résistance en série très faible. La présente invention, comme on l'a indiqué précédemment, a trait à un nouveau procédé pour former un condensateur à jonction par rétro-diffusion. Le procédé proposé utilise la vitesse de rétro-diffusion d'une impûreté P+ 10 qui doit Stre plus rapide que la vitesse de rétro-diffusion de l'impQreté N+ considérée. Op. forme une jonction P+-N+ dans le substrat semiconducteur et une seconde jonction P+-N+ est formée dans une couche épitaxiale obtenue par croissance sur le substrat, fci-après le terme substrat signifiera le substrat semiconducteur}. 15 Avant de discuter des diverses réalisations de la présente invention, on donne l'exemple spécifique suivant pour faciliter la compréhension de l'invention. Dans la figure 1, la pastille semiconductrice de silicium P-, ou couche épitaxiale P- sur un substrat semiconducteur, donné, est recouverte avec uns 20 couche de dioxyde de silicium obtenue par croissance thermique. Dans le cas présent, une pastille P- ayant pour dimensions approximatives une épaisseur de 0,2mm, et un diamètre de 32mm est représentée et a pour référence 1. La couche de dioxyde de silicium obtenue par croissance thermique a pour référence 2. La couche de dioxyde de silicium peut être formée à l'aide de toute 25 technique de l'art, telle que par oxydation par vapeur et oxygène, ou oxydation par l'oxygène sec, ou encore dépfit d'oxyde à l'aide des technique pyro- lytiques, etc... , La pastille P- a dans notre exemple, une concentration 15 3 de dopant de fond d'environ 2x10 atomes/cm quoique cette valeur ne soit pas critiquB. L'épaisseur de la couche ds dioxyde de silicium obtenue par 30 croissance thermique est également peu importante et peut, par exemple. Être égale à environ 0,5 micron. Dans la figure 1, on représente une ouverture 3 dans la couche de dioxyde de silicium 3. Dans la description suivante, les deux matériaux d'impûreté décrits sont le bore et l'arsenic, mais l'invention ne leur est pas limité, comme -35 on l'expliquera ci-après. La seconde étape du schéma de traitement de la présente invention est la diffusion d'arsenic à travers 1'ouverture 3 pour former la région de sous collecteur. Caractéristiquement, on peut effectuer la diffusion par toute technique de l'art» telle que, par exemple, en tube ouvert ou fermé, et las 40 sources peuvent être soient sous forme ds poudre, soient liquides ou gazeuses. 70 47126 3 2076004 Dans cet exemple on a effectué la diffusion à l'aide des techniques en tube fermé en utilisant une source d'arsenic à 1,5% d'atomes. On réalise la diffusion d'arsenic à une température de 1105°C, pour obtenir un Cn d'arsenic 21 3 -3 de 1,4 x 10 atomes/cm . La profondeur de la diffusion est de 1,32 10 mm. 5 Le sous collecteur à l'arsenic 4 ainsi formé constitue la couche N+ du condensateur de la présente invention. La diffusion sous collecteur à l'arsenic peut Btre suivie immédiatement par l'oxydation telle que l'oxydation thermique en présence de vapeur et d'oxygène pour donner un film d'oxyde 2a obtenu par croissance thermique. La figure 2 représente le dispositif ainsi obtenu 10 après cette étape. La troisième étape de la présente invention consiste à former les ouvertures pour la couche P+ du condensateur et pour l'isolement, respectivement 6 et 7 dans la figure 3. On effectue alors la diffusion de bore, le CQ du bore étant rendu inférieur au CQ de l'arsenic. La figure 3 montre l'ensemble 15 de la présente invention immédiatement après la diffusion du bore. La zonB de bore ou P+, est représentée par le 8a pour le condensateur et 8b pour l'isolant. Les diffusions de bore peuvent être réalisées en utilisant les techniques de tubes fermés ou ouverts en utilisant des sources en poudre, liquides ou gazeuses. On effectue la diffusion du bore dans ce cas à l'aide 20 d'une technique en tube fermé en utilisant une source de bore en poudre à 20 * 1105°C avec un CQ égal à 4,2 x 10 .La diffusion de bore est effectuée jusqu'à une profondeur de 2,79 microns et la profondeur finale est d'environ 1,397 microns plus profond dans le substrat 1 que la diffusion de l'arsenic. 20 Le CQ du bore, ou de 1'impûreté P+, est 4,2 x 10 .11 est important que 25 le Cg du bore soit inférieur au CQ de l'arsenic autrement aucune jonction P+ ne serait formée. La figure 4 représente la relation de concentration entre la pastille P-l'impûreté de l'arsenic N+, et 1'impûreté de bore P+. On verra, comme ce graphique le montre, que le CQ du bore est beaucoup plus petit que le CQ 30 de l'arsenic, par exemple de l'ordre du tiers. Dans la figure 4, la ligne A représente la concentration d'impûreté de P+, la ligne B représente la concentration d'impSreté N+, et la ligne I représente la concentration d'impûreté de fond. C est la concentration d'impûreté, et X représente la profondeur de diffusion dans la pastille P-. 35 La référence aux figures 3 et 4 montre clairement que l'on effectue la diffusion du bore beaucoup plus profonde que celle de l'arsenic dans le substrat de la pastille. L'étape suivante de la présente invention est d'éliminer la couche d'oxyde 2a, par exemple, par décapage avec de l'acide fluorhydrique, et de déposer 40 une couche épitaxiale de silicium N-. Cette couche épitaxiale de silicium 70 47126 4 2076004 N- peut être déposée à l'aide de toute technique de dépflt épitaxiale de l'art. L'épaisseur de la couche épitaxiale N- est de 2 microns. Dans cet exemple, la couche épitaxiale de silicium N- déposée à 1.15Û°C, devient dopée à l'arsenic dQa au dégazage de l'arsenic des régiqns diffusées à l'arsenic N.+..dans le subs-5 trat. ...... La rétrodiffusion se produit durant le dépSt de la couche épitaxiale N- du fait que la croissance a lieu à des températures, élevées. On se réfère maintenant à la figure 5, qui représente schématiquement l'assemblage de la présente invention immédiatement après le dépSt de la couche épitaxiale 10 l\l- 9 et la rétrodiffusion simultanée qui se produit avec.lui. On peut voir que le bore P+ a rétrodiffusé dans la couche épitaxiale N- de façon beaucoup plus importante que l'arsenic N+. Les limites extérieures des zones de bore sont maintenant identifiées comme 8a' et 8aH pour la jonction du condensateur, et 8b' et 8b" pour la diffusion d'isolement. En opposition, 15 les nouvelles' frontières de la zone diffusée à l'arsenic sont identifiées comme 4' et 4". Puisque la rétrodiffusion du bore dans la couche épitaxiale 9 est plus forte que celle de l'arsenic, une seconde jonction de condensateur est formée dans la couche épitaxiale 9. La jonction dans la couche épitaxiale 9 est identifiée par J1 alors que la jonction "originale" du substrat 1 est 20 identifiée par J10. On remarquera naturellement, que la position de la jonction J10 dans le susbtrat 1 est modifiée par rapport à sa position "originale" après le dépût et la rétrodiffusion de la couche épitaxiale N- 9. La figure 6 représente le profil d'impûreté, à cBtte étape, pour le condensateur à double jonction. 25 L'étape suivante, pour réaliser un dispositif pratique, est d'oxyder la couche épitaxiale N- et de former une couche d'oxydation 9n. Dn réalise les ouvertures pour le contact N+ du condensateur en même temps que les ouvertures pour le contact avec le double colletteur à l'arsenic. L'assemblage, après l'étape de la diffusion du canal N- avec du phosphore et de l'oxydation 30 est représenté sur la figure 7. Le canal N- ou phosphoreux est identifié dans la figure 7 par 10 et l'on voit facilement son conact avec la couche N+ ou à 1'arsenic 4. Immédiatement après la diffusion du canal N- on iflait une étape d'oxydation pour "fermer" l'ouverture Ba de la couche de dioxyde de silicium 9n obtenue par croissance thermique 9n. On appréciera que d'autres 35 impûretés, en addition ou au lieu du phosphore, peuvent être utilisées, par exemple de l'arsenic. Dans l'exemple présent, on effectue la diffusion du 19 3 phosphore à 1050°C avec un égal à 4 x 10 atomes/cm pour obtenir une profondeur de jonction de 1 micron environ. La diffusion du phosphore n'a pas d'autres effets significatifs sur "l'étalement" des frontières des couches 40 p+_N+> ie procédé n'étant pas critique dans ce cas. Naturellement, à des 70 47126 5 2076004 températures très élevées ou à des temps très longs un certain "étalement" se produirait. L'étape suivante de la présente invention est l'ouverture des trous dans la couche nouvellement "réoxydée" pour le contact P+ du condensateur et 5 l'isolement. En même temps, on effectue les ouvertures pour les contacts de base. L'ouverture 11 recouvre en elle-même presque toute la zone du condensateur. On effectue cela pour réduire la résistance en série de la couche P+ rétrodiffusée. A ce moment, on doit se référer à la figure 8 qui représente le condensateur à double jonctions diffusées de la présente invention après 10 la diffusion base et l'oxydation. Le "trou" pour le contact P+ du condensateur dans la nouvelle couche oxydée 9na est représenté par 11, et le trou pour l'isolement est représenté par 12. La structure du condensateur et l'isolement sont maintenant terminés, à l'exception de la formation des contacts ohmiques. En référence à la figure 8, la diffusion de base P+ dans le condensateur est 15 représentée par 13, et la zone d'isolement par 14. Ces diffusions, sont, respectivement et toutes les deux une diffusion de bore (base] pour contacter la couche P+ du condensateur et la zone diffusée isolée 8b. On réalise la diffusion de la base à l'aide de toutes les techniques bien connues en température élevée. Dans le cas présent, la diffusion du bore est effectuée à 19 3 20 1050°C pour donner' un CQ de bore de 3x10 atomes.cm . La diffusion suivante à effectuer est, naturellement, bien connue aux spécialistes de- l'art et est constituée d'une diffusion d'émetteur. On ne montre pas cela dans les dessins et on ne le décrit pas à cette étape. Cette diffusion peut être une diffusion d'arsenic ou de phosphore avec un C„ égal 21 25 1 x10 et elle peut également Être effectuee dans un domaine de temperature de 900 à 1100°C. On réalise maintenant les ouvertures du condensateur, et en même temps on effectuera les ouvertures de l'émetteur, de la base etc.. En utilisant toute technique de l'art, on peut réaliser les contacts ohmiques métalliques ëe la structure du condensateur et de l'isolement. 30 Cela, en substance, termine le nouveau condensateur à double jonctions diffusé de la présente invention. Il est évident à un spécialiste de l'art que, comme on le montre dans la figure 9, une série de structures en parallèles du "en doigts* peuvent être réalisées pour réduire la résistance en série des couches minces P+ 35 et N+. Cette configuration particulière présente des avantages importants en réduisant la résistance en série à des valeurs égales à environ 0,1 ohm -4 2 pour une zone de contact P+ de 6,45 10 mm . Dans la nouvelle configuration représentée sur la figure 9, les zones P+ isolent complètement la couche N+ de la couche épitaxiale N~. Dans la 40 figure 9, la configuration fondamentale du dispositif satisfait aux explica 70 47126 ô 2076004 tions données jusqu'à présent. Spécifiquement, les zones P+ sont représentées par 15, les zones N+ sont référencées par 16, les jonction par 17, les diffusions canal N- par 19 et la. diffusion de base vers la couche P+ du condensateur par 18. Les conducteurs ont pour indice 20, le substrat 21 et la couche 5 épitaxiale N- 22. Le procédé ci-dessus permet d'obtenir un condensateur à double jonction diffusée où aucune diffusion d'isolement séparée nrest nécessaire et où on obtient un condensateur à deux jonctions P+-N+, ce qui permet d'obtenir une capacitance très élevée par zone unitaire. 10 Comme cela apparaîtra évident à un spécialiste de l'art, la séquence de la diffusion d'arsenic et de la diffusion du bore peuvent être inversées et appartenir encore au cadre essentiel de la présente invention» En outre, 1*impûreté P+ de la présente invention a été identifiée comme étant le bore. Evidemment, on peut utiliser toute impûreté P+ tant que sa 15 vitesse de rétrodiffusion est supérieure à celle de 1'impûreté N+ utilisée en combinaison. Naturellement, on peut appliquer le même raisonnement à l'impQreté N+, c'est-à-dire, on peut utiliser toute impûreté N+ tant qu'elle présente une vitesse de rétrodiffusion inférieure" à celle de l'impQreté de type P+. 20 Dans la présente invention, la concentration des impûretés N+ et P+ est comprise en générale entre 10 et 2 x 10 atomes/cm , mais cela n'est pas critique. En outré, la pastille de substra t semiconducteur utilisée n'est pas une partie essentielle de la présente invention. Dans l'exemple, 1'impûreté 25 du substrat est, naturellement, du bore. Dans la présente invention, le substrat présente une caractéristique P-. Selon les besoins des composants compa~ tibles dans les mêmes substrats, les substrats peuvent être P+ avec, par 17 3 exemple, 10 atomes/cm . Comme cela appraîtra évident, plus est grande la différence dans les 30 vitesses de rétrodiffusion entre les deux impQretés utilisées, plus sont proches les jonctions. Par exemple, dans l'exemple présent, les deux jonctions sont écartées approximativement de 2 microns. Il est important que la profondeur de diffusion aussi bien pour les impQretés P+ que N+ soit uniforme. Cela afin que les jonctions.J1 ou J10 35 soient nettes et bien définies at se produisent à une profondeur uniforme. La différence exacte des constantes de diffusion auxquelles doivent satisfaire les impQretés N+ et P+ n'est pas critique. En général, et de préférence, la vitesse de rétro-diffusion des deux matériaux doit différer d'un facteur de 10. Naturellement, selon le résultat final désiré, on peut parfai-40 tement accepter une dif-férenca inférieure dans les vitesses de rétro-diffusion. 70 47126 7 2076004 ainsi qu'une différence beaucoup plus élevée. La température de rétro-diffusion est, naturellement, non- critique et dépendra des paires individuelles de matériau utilisé. Dans le cas présent, elle était de 1150°C. 5 En outre, dans l'exemple, on a décrit une couche épitaxiale N-. On pour rait utiliser une couche épitaxiale P- lorsque cela n'est pas dasavantageux d'obtenir une extrémité P+ du condensateur connectée audit matériau de substrat P-. La profondeur de diffusion n'est pas importante, à condition d'obtenir 10 un dispositif qui fonctionne. Caractéristiquement, la diffusion se fait à une profondeur de 1 à 2 microns, la rétrodiffusion dans la couche épitaxiale étant de 1 à 1,5 microns. Un avantage particulier du schéma de traitement de la présente invention apparaît dans le cas de la construction de transistors NPN à l'aide de la 15 séquence que l'on vient de décrire. Les avatages appraîtront évidents, puis-qu'aucune étape supplémentaire n'est nécessaires pour former le condensateur selon la présente invention. Premièrement, une pastille semiconductrice P-, ou couche épitaxiale P-, est soumise à une diffusion de sous collecteur et à une diffusion d'isolement, on fait croître dessus une couche épitaxiale N-20 on réalise la diffusion d'isolement, et la diffusion de canal N- pour le contact de sous collecteur. Ensuite, on réalise la diffusion de base suivie par la diffusion d'émetteur. Dans le procédé de la présente invention, une diffusion supplémentaire P+ dans le substrat P- est nécessaire pour réaliser les contacts, mais, on doit remarquer qu'une diffusion d'isolement séparée 25 n'est pas nécessaire, quoiqu'il en soit. Par conséquence, le nombre total des étapes n'est pas changé et cependant on obtient un condensateur à double jonctions diffusées. Une description supplémentaire des diverses étapes de traitement classiques de l'art telle que diffusion, formation de couches épitaxiales, etc.. sera 30 trouvée dans les références suivantes, et on pourra s'y reporter. "Integrated Circuits, Desing Principles and Fabrication" Motorola Sériés paru dans Solid State Electronics, McGraw-Hill, 1965, Chapitre 3, pages 69-94 pour la diffusion et chapitre 5, pages 127-165 pour la fabrication de structures intégrées. Le procédé de formation de sous collecteur est décrit à la page 189 et la 35 croissance épitaxiale est décrite à la page 264. A partir de la description donnée ci-dessus, il apparaîtra évident que dans la réalisation décrite, un substrat semiconducteur selon la définition connue dans l'art est utilisé. Ce "substrat" peut être une couche épitaxiale sur le substrat, par exemple, une tranche de silicium ou une autre couche 40 épitaxiale, etc.. Des combinaisons possibles sont nombreuses et appartiennent 70 47126 2076004 au cadre de la présente invention.. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède, et représenté sur le dessin, les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, ■ sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 70 47126 9 2076004 REVENDICATIONS 1.- Condensateur à jonction diffusée du genre comprenant un substrat et, située au-dessus, une couche épitaxiale obtenue par croissance, caractérisé en ce que: 5 le substrat contient une jonction P+N+ et la couche épitaxiale contient également une jonction P+N+, les deux jonctions P+N+ sont situées à l'intersection d'une zone iM+ unique et d'une zone P+ unique. 2.- Condensateur à jonction diffusée selon la revendication 1 caractérisé 10 en ce que le substrat est un semiconducteur. 3.- Condensateur à jonction diffusée selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les jonctions P+N+ sont formées par l'intersection de zones diffusées de bore et d'arsenic. 4.- Condensateur à jonction diffusée selon les revendications 1, 2 ou 3, 15 caractérisé en ce que les jonctions P+N+ sont formées par une zone diffusée P+ qui renferme complètement ladite zone N+ à l'exception d'une région permettant d'obtenir un contact N- avec la zone N+. 5.- Condensateur à jonction diffusée selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le sustrat est du siliciuM. 20 6.- Condensateur à jonction diffusée selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le substrat est une couche épitaxiale. 7.- Procédé de fabrication d'un condensateur à double jonctions diffusées, caractérisé en ce qu'il comprends la formation d'une zone diffusée N+ dans un substrat semiconducteur! 25 la formation d'une zone diffusée P+ dans ledit substrat et ce, à une profondeur supérieure à la zone N+j la croissance d'une couche épitaxiale sur ledit substrat* la rétrodiffusion des impQretés N+ et P» dans la couche épitaxiale, l'impQreté P+ ayant une constante de diffusion supérieure à celle de l'impûrete 30 N+, ce qui conduit à la formation d'une jonction P+N+ dans le substrat et dans la couche épitaxiale. 8.- Procédé selon la revendication 7 caractérisé en ce que la rétrodiffusion 70 47126 2076004 se produit simultanément à la croissance de la couche épitaxiale sur le substrat. 9." Procédé selon les revendications 7 ou 8 caractérisé en ce que l'impQreté P + a une vitesse de diffusion supérieure à celle de l'impQreté N+ d'un fec- 5 teur au moins égal à 10. 10.- Procédé selon les revendications 7, 8 ou 9 caractérisé en ce que la zone diffusée N+ est formée dans le substrat semiconducteur jusqu'à une profondeur comprise entre environ 1 et 2 microns, et la zone diffusée P+ est formée dans le substrat jusqu'à une profondeur comprise entre environ 1 et 10 2 microns, la zone diffusée P+ étant plus profonde dans la substrat que la zone diffusée N+. 11.- Procédé zelon les revendications 7, 8, 9 ou 10 Caractérisé en ce que la rétrodiffusion est réalisée dans la couche épitaxiale jusqu'à une profondeur comprise entre environ 1 et 1,5 microns.