Brevet FR2130424A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un procédé pour fabriquer un transistor à effet de champ, et plus particulièrement un procédé pour produire la couche isolante requi former 1-électrode de commande isolée d'un transistor à effet de champ à électrode de commande isolée. Un transistor à effet de champ à électrode de commande isolée- que l'on appellera plus simplement transistor IGFET, est un dispositif à semi-conducteur comprenant une électrode de commande qui se trouve isolée de la galette de semiconducteur et située entre des électrodes source et drain. Un canal de conduction est déterminé dans la galette en face de l'électrode de commande entre les électrodes source et drain. Des tensions appliquées à lrélectrode de commande contrôlent 1s courant dans le canal de conduction., effectuant ainsi diverses opérations utiles> telles que 1;amplification et la commutation. Sien que la plupart des transistors à effet de champ utiliser:." le silicium comme semi-conducteur, on a admis que, dans beaucoup da cas., l'arseniure de gallium lui est supérieur. Le lecteur peut se reporter par exemple, à l'article intitulé "Gallium-Arsenide FET:s Gutperforrn Ccnventional Silicon MGS Devices"; par H. Eecke and J. "White, paru dans Electronics, pages 82 à 90, 12 juin 1967. Toutefois, il est difficile de réaliser des couches isolantes sûres et reproductibles sur l'arsé-niure de gallium. C'est pourquoi la plupart des dispositifz h arséniure de gallium ont utilisé des électrodes de commande à couche d'arrêt de Schottky plutôt que des électrodes de conar.an.dr isolées. L'électrode de commande se trouve alors directement er. contact avec la galette d'arséniure de gallium avec laquelle elle forme une jonction à couche dfarrêt de Schottky. Comme il est bien connu, ce dispositif peut travailler uniquement dans le mode à déplétion ou appauvrissement, qui en j imite la souples;;--. De plus, des fuites inévitables à travers une couche d'arrêt de Schottky limitent la concentration des porteurs de charges dans le canal de conduction, et par conséquent la transconductance qui peut être obtenue du dispositif. Pour ces raisons, notamment a la demanderesse a estimé qu'il serait souhaitable de pouvoir fabriquer des transistors IGFET à arséniure de gallium, qui soient fiables et reproductibles, et particulièrement des transistors IGFET fonctionnant dans le mode à enrichissement ou accumulation. Dans de 72 09520 2130424 tels dispositifs. le canal est formé str -«.cturellement entre le diélectrique d? l'électrode de commande et un substrat isolant typiquement par croissance par épitaxie d'une couche d3arséniure de gallium sur un substrat semi-isolante Si le dispositif doit 5 fonctionner à haute fréquence, toutefois? il est difficile de faire croître ia couche semi-conductrices en sorte qu:elle présente une épaisseur aussi petite que voulue° Comme mentionné plus haut, il est difficile d appliquer une couche isolante à 1-arséniure de gallium? et mê-10 me si une telle couche se trouve appliquée avec succès, des états de surface perturbateurs se trouvent formés à l'interface du yemi-conducteur et de l'isolant» Par "états de surface" on entend les états d'énergie dans la structure à bande à la surface d'un semi-conducteur résultant de la discontinuité de la 15 structure réticulaire atomique» Dans 1'arséniure de gallium? ces Jtats d'énergie sont essentiellement non prévisibles et ils affectent pratiquement la conductivité et d'autres paramètres du dispositif. Par exemple, des tensions de polarisation différentes de 1-électrode de commande sont requises pour des densités 20 d'état de surface différentes de divers dispositifs, De plus, 1"arséniure de gallium est notoirement susceptible de subir les effets de particules d'impureté parasites qui peuvent se loger accidentellement à l'interface du semi-conducteur et de l'isolant, Pour toutes ces raisons« notamment, les tentatives pour 25 réaliser des transistors IGFET à arséniure de gallium» de bonne qualité, se sont largement soldées par un insuccès « L'invention a pour objet un procédé permettant de réaliser de tels transistors à effet de champ à électrode de commande isolée» 30 Le procédé selon l'invention comprend les pha ses consistant à former, sur une galette de semi-conducteur cristallin, des électrodes sources drain et de commande, cette dernière électrode étant située entre les deux autres et étant pratiquement isolée de la galette par une couche isolante, la 35 galette étant constituée d'un composé semi-conducteur d'éléments des groupes III et V9 et à irradier la surface de la galette comprise entre les électrodes source et drain, par des particules ayant une énergie suffisante pour percer pratiquement et endommager la structure réticulaire du cristal de la galette 40 jusqu'à une profondeur prédéterminées en sorte de former dans 72 09520 3 2130424 la galet"- un-égi or: i -3o lante , D'une manière plus spécifique, un transistGr IGFET à arséniure de gallium est réalisé en formant d'abord des électrodes source et drain sur la surface supérieure d'une galer-5 te d®arséniure de gallium, La surface de la galette comprise entre les électrodes source et drain est ensuite irradiée au moyen de protons à haute énergie» Les électrodes source et drain, qui peuvent être constituées d'ors sont des masques avantageux qui limitent le bombardement de la partie de la galette comprise en-10 tre eux. Le bombardement par les protons endommage ainsi la structure cristalline de la galette en sorte d'accroître sa ré-sistivité jusqu'au niveau d'un isolant ou d'un semi-isolantr dont la profondeur est aisément contrôlée par l'énergie utilisée pour les protons incidents» L'électrode de commande est ensuite 15 formée sur la surface supérieure de la couche isolante nouvellement formée, ce qui procure une structure de transistor à effet de champ à électrode de commande isolée à arséniure de gallium,. Le procédé selon 1-invention évite complètement les différents problèmes de fabrication qui sont habituellement 20 associés à la formation d'une couche isolante sur une surface d®arséniure de gallium» De plus9 il permet de réaliser des transistors IGFET ayant des propriétés électriques supérieures à celles des dispositifs connus» Par exemples on peut montrer que le bombardement protonique produit un faible nombre prévisible 25 d'états d'énergie dans la couche isolante* Les paramètres du dispositif ne sont donc point dépendants des opérations de décapage de la galette ou de propriétés de surface uniques» Un canal très mince peut être réalisé en faisant croître par épita-xie 1®arséniure de gallium actif sur un substrat isolant, puis 30 en réglant l'épaisseur du canal en contrôlant le bombardement protonique en sorte telle qu'il pénètre jusqu'à une profondeur-déterminée. De cette manière, l'épaisseur du canal peut être rendue beaucoup plus petite que l'épaisseur de la couche épita-xiale la plus mince qui pourrait être développée,, ce qui permet 35 d'obtenir un canal plus mince que ce qui serait autrement possible. Cette particularité permet de faire fonctionner le dispositif dans le mode à accumulation ou enrichissement <> à basse énergie et haute fréquence» Enfin, ce procédé permet d'éviter les limitations inhérentes aux dispositifs à couche d'arrêt de 72 09520 4 2130424 Schottky, telles que le fonctionnement avec une polarisa-vj/,ïi de l'électrode de commande d'une seule polarité, une concentration limitée des porteurs de charges et une transconductance limitée. L'invention sera décrite plus particulièrement 5 en se référant aux dessins joints, sur lesquels s - la figure 1 est line vue en coupe schématique d'un transistor à effet de champ à électrode de commande isolée, fabriqué conformément à une forme de réalisation du procédé selon l'invention; 10 - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1„ illustrant une phase du procédé de fabrication selon l'invention Le transistor à effet de champ représenté partiellement en coupe à la figure 19 comprend un contact source 11, un contact d'électrode de commande 12 et un contact drain 13. 15 Les contacts source et drain sont des contacts ohmiques sur la surface d'une couche semi-conductrice 14, tandis que l'électrode de commande 12 est située sur la surface d'une couche pratiquement isolante 15. La partie de la couche semi-conductrice 14 qui s'étend entre les électrodes source et drain, et en dessous 20 de l'électrode de commande 12, constitue un canal de conduction 16. Une partie principale du canal 16 est déterminée entre la couche isolante 15 et un substrat isolant 17. En fonctionnement 72 09520 2130424 connu « la croissance par épitaxie e .-"t un procédé dans lequel une couche semi-conductrice se trouve for-née en wat-i*r*î telle q\: elle constitue effectivement une extension de 1&. structure line du substrat» Après avoir fait croître i£ ceuchs -.axI- *■> 5 le 14, le contact source 11 et le contact dra.ui 13 sont forxr v par exemple par dépôt en phase vapeur. Ces contacts r ' es, d'une manière connue, en sorte de constituer - ''mi.-jurs plutôt que des ccntiicta redresseurs. L.« ; oucbe isolante 15 est eii^,-yc " " : rraSiaticî; de la partie d~ la couche épit#.:.-. atrc la r.c-.'rca et le drain, au mc/nn de protons à ^ -vz - énz^S'-^rovonont d'une source '9- Ainsi qv.' il e^f- 1 - " • .& ï - arséniure de .allium par de5 proton* aug£t>-mte £«r-'*«-;;?n+ :-.vsiot Lvité de 1*arséniure de gallium par su2*-~ -te 1~ air-r\:^ -t à* 1 'endcuamagemsnt ve Ift"structure réticulsxrs* ô?i «ea,£«çcr.dv.?v ■ •'* gôllium et' o os ver*, issi-nt celui-ci en n.s.tièrt; icolsnte -~vx r.eu près directement pr-oporticr£>:.iie h 1 d«i ivy'-^rvs?-îv-' rr- rot unique. La ' coures '1 t;t 113 it ; -o U./ ; a-'?-? .i : -::paic-5eur suffisance pour qu«s les «■rciuiih ix» '.-:;;ssea:.' i-se t:.- » verser, La source 11 et le drain 13 jouent d-Jï*v rôl;- ô' a.', masque et la région irradiée 15 se trouve ami détermine . ne manière précise„ 25 Après que la couche isolante 15 ait été f-yi:> par bombardement protonique s, l'électrode de commande 12 se trouve formée en même temps que lsélectrode source 20 et l'électrode drain 21, par exemple par dépôt et attaque chimique = Le procédé décrit jusqu:à présent détermine de préférence un grand 30 nombre de dispositifs IGFET sur une seule galette, ces dispositifs étant ensuite séparés par traçage et clivage. Les dispositifs individuels sont ensuite fixés dans une enveloppe et '.1~ fils d'or sont liés par thermo-compression aux électrodes 3*;.rce drain et de commande. 35 Le dispositif terminé tel que représenté î la figure 1 présente évidemment les divers avantages énumérés dans l'introduction de description» Comme la couche isolante 15 ;3S trouve formée dans la couche épitaxiale 14, les problèmes d'adhérence de la couche isolante, des états de surface parasites 40 et d'autres problèmes qui se présentent à l'interface du semi- 72 00520 6 2130424 cont.,?/' : ■ et de lisolant sont C^ïtés or au moins s en:; i 'élément réduits. Cet avantage est en fait n important qu'il Tend possible la prc~L'i 1-1 on massive de transistors IGFET à arséniure de gallium fiable" et reproductibles, ce n'était pas possible 5 jusqu'à préspr-t. De plus» ce procédé permet la formation d'un canal beaucoup plus zr?r-.oe que ce qui serait autrement possible. Par exemplef >:'.ans un dispositif expérimental, la couche épitaxiale 14 a été développée jusqu^à une épaisseur de 1,3 microns ce qui est à peu près l'épaibseur cinimum que l'on peut obtenir habituellement pour une couche épitaxiale. La couche isolante 15 a alors été forces jusqu'à une épaisseur de 0,45 micron, ce qui laisse une épaisseur de meir." de 1 micron pour le canal 16. Cette fait!3 épaisseur de canal est évidemment souhaitable pour les r.ii.".jus citées plus haux, et elle est plus petite que celle que 15 ];on peut réaliser ordinairement on contrôlant simplement . T épai -de la couche épitaxiale» Léa paramètres de la couche active 145 de type n, qui a été développée., à titre expérimentais sur un substrat d?arséniure de gallium semi-isolant dopé avec du chrome, 20 étaient les suivants ; épaJ sssur totale de la couche épitaxia- 2 le de 1,3 micron, mobilité de 4580 cm /Vs, concentration des 15 -3 porteurs de charges de type n de 8,8 x 10 cm . Les contacts ohmiques 11 et 13 avaient été réalisés en déposant une couche O d'or et de germanium de 4000 A d'épaisseur à 300°C et en utili- 25 sant un procédé de réserve classique. Ces contacts avaient été alliés à 47'5°C pendant 20 secondes. La structure avait ensuite été bombardée uniformément par des protons ayant une énergie 14 2 de 25 keV a une dose de 10 protons/cm . La profondeur de pé- O nétration des protons dans l'or est d'environ 1500 A, et les 30 couches 11 et 13 ont ainsi constitué des masques efficaces. Les électrodes 12, 20 et 21 avaient été formées par dépôt et attaque d'or pur, et des fils d'or de 50,8 microns de diamètre avaient été liés à ces électrodes par thermo-compression* La résistivité de la couche 15 était approxima- g 35 tivement de 107ohms~centimètres, ce qui est voisin de la résistivité de 1'arséniure de gallium intrinsèque. L'essai de la couche bombardée a montré que les caractéristiques courant-tension dans cette couche étaient à peu près symétriques et linéaires jusqu'à un champ d3environ 40 2 x 10 V/em„ Le coure.it de fuite à travers la couche isolan 72 09520 2130424 te 15 itait insignifiant jusqu'à une tension rit polarisation directe dÏ! environ 3 volts. Une transconductance pour un courant de drain saturé d'environ 5 milliampères par volt avait été obtenue avec une électrode de commande de 500 microns de Ion-5 gueur (dans une direction perpendiculaire à la longueur du canal) et de 5 microns de largeur» et avec un canal de 30 microns de longueur» La transconductance était maximale et indépendante de la tension de polarisation de l'électrode de commande dans la gamme allant de -2 à +2 volts. Dans cette gamme de tension, la 10 capacitance de l'électrode de commande était pratiquament constante, et la polarisation de l'électrode de commande n'avait agi que sur la charge située en-dessous de la couche isolante de l'électrode de commande» Au cours d'autres essais expérimentaux» un 15 bombardement par des ions d'hélium s'est avéré satisfaisant pour produire la couche isolante 15. Cela indique que la résis-tivité élevée de cette couche est due à 1 * endommagement de la structure cristalline par les radiations produites par les particules incidentes plutôt qu'à un autre phénomène, On croit que 20 le bombardement multiple par des faisceaux ayant des niveaux d'énergie différents produit tan profil d'endommagement de 11> structure cristalline plus plat et par conséquent une résistivi-té plus élevée dans toute la couche 15» Bien que le procédé décrit s'avère le plus 25 prometteur dans son application à des dispositifs haute fréquence qui requièrent des canals étroits ayant une concentration de porteurs de charges élevée* et avec un fonctionnement dans lequel une polarisation positive ou négative de 16électrode de commande est nécessaire, ce procédé peut parfaitement être utj-30 lisé pour d'autres modes de fonctionnement des transistors IGFET Bien que 1"arséniure de gallium soit la matière semi-conductrice la plus prometteuse pour la mise en oeuvre de 1'inventions pratiquement les mêmes considérations et les mêmes propriétés structurelles s Appliquent à d'autres conducteurs semi-cristal-35 lins composés d'éléments des groupes III et Vs tels que le phosphure d'indiumo le phosphure arséniure d:indium et le phos-phure arséniure de gallium. 8 72 09520 2130424 1 o RE\ ENDICATIONS Procédé pour fabriquer un transistor à effet de champ consistant à former sur une galette de semi-conducteur cristallin, des électrodes source, drain et de commande* cette dernière électrode étant située entre les deux autres et étant 5 pratiquement isolée de la galette par une couche isolante, la galette étant constituée d'un composé semi-conducteur d'élémentf: des groupes III et V, caractérisé en ce que la surface de la galette comprise entre les électrodes source et drain est irradiée par des particules ayant une énergie suffisante pour percer pra-10 tiquement et endommager la structure réticulaire du cristal de la galette jusqu'à une profondeur prédéterminée» en sorte de former dans la galette une région isolante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface de la galette est irradiée par des protons» 15 3. Procédé selon l'une quelconque des revendica tions précédentes, caractérisé en ce que la galette est constituée d'arséniure de gallium. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la galette comprend un substrat isolant et une couche supérieure 20 semi-conductrice, et la région du semi-conducteur comprise entre le substrat isolant et la couche isolante de l'électrode de commande constitue un canal de transistor, caractérisé en ce que la phase d'irradiation de la surface de la galette comprend la phase de réglage de l'épaisseur du canal de transistor» 25 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la phase d'irradiation de la surface de la galette comprend la phase consistant à déterminer un canal de transistor ayant une épaisseur plus petite que lfépaisseur de la couche supérieure semi-conductrice la plus mince qui peut être réalisée com-modément. 6» Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend la phase consistant à développer par épita-xie la couche supérieure semi-conductrice sur le substrat isolant, 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche supérieure développée par épitaxie est constituée d'arséniure de gallium, et en ce que la phase d'irradiation de la surface de la galette comprend la phase consistant à déterminer un canal de transistor ayant une épaisseur plus petite que l'épaisseur de la couche épitaxiale d'arséniure de 72 09523 2130424 gallium i.j, plus mince qui peut rfcre développée de façon fiable et reproductible sur le substrat ivolant, 8. Procédé selon la revendication 6? carsc-t-lrlsé ce que la surface de la couche épitax.ale comprise enfr-'- les régions source et drain re trouve Irradiée par des atomiques, ces particules ayant une énergie suff? ??.?•*?• j-rtur p4 nctrer la couche épitaxiale ^ une profondeur prédéterr.-» - r;ée et pour convertir- cette couche en une matière Isolante jus qu'à cette profondeur, mais ayant une énergie insuffisante po-pénétrer tu ti avers des contacts source et dr%-5n.- ô? telle sor que ces contacts jouent le rôle d:\.m masque à 1-égard de ces particules, et en ce qu une électrode de commande se trouve i raée sur la partie irradiée de la couche épitaxiele.