Brevet FR2134360A1 — publié le 19721208

La présente invention concerne un procédé de -Fabrication de transistors bipolaires et de transistors I effet de champ sur un mime substrat semiconducteur par rétrodiffusion épitaxiale. On sait qu'il est souhaitable de former ces deux types de transistors 5 sur un même substrat semiconducteur monolithiaus st il existe dans l'art antérieur un certain nombre de techniques visant à atteindre cet objectif. En général, ces techniques consistent soit à faire un compromis entre les procédés permettant de réaliser séparément les tx-ansistors bipolaires et les transistors à effet de champ CFET} de manière à conserver les caractéris-10 tiques désirables de fonctionnement rie chaque type de dispositif, soit à faire un compromis entre les caractéristiques désirables de l'un ou l'autre ou des deux types de transistors de manière à obtenir un procédé de fabrication simplifié. Toutefois, l'un des principaux obstacles qui n'ont pu être surmontés réside dans le fait que les niveaux de concentration d'impureté 15 requis pour la formation de transistors bipolaires sur un substrat diffèrent de ceux qui sotot nécessaires dans le cas de transistors FET. On a donc besoin d'une technique de fabrication de transistors bipolaires et de transistors FET sur un même substrat monolithique qui permet un contrôle pratiquement indépendant des niveaux de concentration d'impureté tout en continuant à 20 utiliser certaines des étapes précédemment mises au point dans les procédés de fabrication jusqu'à présent employés pour réaliser séparément des transistors bipolaires et des transistors FET. La présente invention permet d'obtenir un tel contrôle dans une réalisation préférée à couches épitaxiales en fixant la résistivité de la couche 25 épitaxiale à une valeur permettant d'obtenir des transistors FET à canal N améliorés, et en employant une technique de double rétrodiffusion d'impuretés pour obtenir des valeurs de résistivité telles que l'on puisse réaliser des transistors FET à canal P et des transistors bipolaires NPN améliorés. Cette technique de double rétrodiffusion crée dans la couche épitaxiale des régions 30 auto-isolées qui sont caractérisées par un gradient d'impureté qui varie entre une valeur relativement basse à la surface de la couche épitaxiale et une valeur relativement élevée au-dessous de la surface de la région isolée. Le profil de résistivité vertical de la couche épitaxiale dans une région isolée peut être adapté 0e façon à obtenir des transistors FET à 35 canal P et des transistors bipolaires aussi satisfaisants que possible, par un choix judicieux des niveaux concentrations initiaux des deux impuretés qui, réunies, produissent les régions rétrodiffusées auto-isolées dans lesquelles sont formés les deux types de transistor. Dans une réalisation préférée, deux dopants d'un unique type de conduc-40 tivité sont placés dans des régions choisies d*un substrat du type de 72 09920 2 2134360 conductivité opposé. Les deux dopants sont caractérisés par des vitesses de diffusion substantiellement différentes et par des concentrations initiales différentes, le dopant qui a la vitesse de diffusion la plus basse possédant la concentration la plus élevée. Une couche épitaxiale dudit type de conduc- 5 tivité opposé est décosée sur le substrat et les deux dopants sont rétrodif- fusés au travers de cette couche épitaxiale jusqu'à ce que celui de ces dopants qui se diffuse le nlus vite parvienne à la surface supérieure de la couche. De la sorte, une poche auto-isolée d'un unique type de conductivité est formée à chacun des emplacements désirés dans la couche épitaxiale. La 10 résistivité de cette dernière à la surface dans chacune des régions isolées 10 et à la surface entre les régions isolées adjacentes est de l'ordre de 10 atomes/cc, ce qui est la valeur optimum pour la formation de transistors FET à canal P et à canal N. Ou fait du gradient d'impureté résultant de la technique de double rétrodiffusion grâce à laquelle chaque région isolée 15 est formée, la concentration d'impureté dans chaque poche isolée à la profondeur à laquelle le collecteur d'un transistor bipolaire est formée est de 17 l'ordre de 10 atomes/cc, ce qui est la valeur optimum pour la réalisation de transistors bipolaires. Des diffusions simultanées sont effectuées dans chaque région isolée 20 dans laquelle on désire obtenir la région base P d'un transistor NPN et les régions source et drain P d'un transistor FET à canal P. Des diffusions simultanées sont ultérieurement effectuées pour former l'émetteur N de chaque transistor NPM désiré et les régions source et drain N de chaque transistor FET à canal N désiré, les diffusions des régions source et drain N étant 25 faites dans la couche éoitaxiale entre les régions auto-isolées adjacentes. D'autres étapes classiques permettent d'achever la réalisation des transistors bipolaires et FET. D'autres objets^ caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés 30 à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. Les figures 1 à B représentent des coupes simplifiées de la structure intégrée à transistors bipolaire et FET correspondant aux étapes respectives du procédé de la présente invention. La figure 7 est une représentation graphique du profil d'impureté N+ 35 dans le substrat de la figure 1. La figure 8 est une représentation graphique du pç,çfil d'impureté d'un transistor NPN formé dans une poche auto-isolée conforffigment à la présente invention. On a représenté sur la figure 1 un substrat en silicium 1 de type 15 40 P- à orientation 11001 (concentration d'impureté ne dépassant pas 10 atomes/cc x 72 09920 3 2134360 environ] ayant uns résistivité de surface d'environ 10 à 20 ohms-cm et qui est initialement oxydé à l'aide d'une couche 2 de dioxyde de silicium. Une fenêtre 3 est décapée dans l'oxyde 2 à l'aide de techniques classiques faisant appel à des matériaux photorésistants Cncn représentées). Une région 5 4 analogue à un sous-collecteur est diffusée nar la fenêtre 3 dans le substrat 1 à chaque emplacement où une noche auto-isolée devra plus tard être établie. Deux de ces régions 4 et 5 sont représentées à titre d'exemple sur la figure. Chacune des régions 4 et 5 comprend deux dooants, par exemple de l'arsenic et du phosphore, ayant des concentrations et de vitesses de diffusion diffé- 10 rentes, les deux régions étant d'un type de conductivité opposé à celui du substrat P- 1. La figure 7 montre les profils d'impureté représentatifs pour l'arsenic et le phosphore contenus dans le substrat 1, à ce stade du procédé. Dans la réalisation citée à titre d'exemple de la présente invention, les régions 4 et 5 sont formées par diffusion en tube fermé à 1100°C pendant 15 60 minutes. Cette diffusion donne une résistance de feuille de 7,0 ohms par carré et une profondeur de jonction de 1,14mm en utilisant comme source une poudre constituée par un mélange de 1,5g de silicium doué avec 2% d'arsenic et de 1,5g de silicium dopé avec du phosphore ayant une concentration de 19 10 atomes/cc. Cette poudre est préoarée, immédiatement avant que le tube 20 ne soit fermé à partir de matériaux de silicium dopés séparément à l'arsenic et au phosphore. Le revêtement d'oxyde 2 est ensuite enlevé du substrat et l'on fait croître une couche épitaxiale P 6 d'une éoaisseur de 3 microns et d'une résistivité de 2,0 ohms/cm, comme le montre la figure 2. On notera que l'ar-25 senic et le phosphore se sont quelque peu rétrodiffusés dans la couche épitaxiale 6 à la fin de l'étape de déoôt de cette couche épitaxiale, comme cela est représenté sur la figure 2. L'arsenic, dont la vitesse de diffusion est la plus faible, est représenté par la ligne pointillée 13, et le phosphore, par la ligne 14. La couche d'oxyde 15 de la figure 3 est ensuite 30 formée à la surface supérieurs de la couche énitaxiale 5, et les impuretés d'arsenic et de phosphore font l'objet d'une rétrodiffusion jusqu'à ce que le phosphore traverse complètement la couche 6 st parvienne à la surface supérieure de celle-ci. A ce stade, les poches isoléss 16 et 19 en matériau de conductivité ds type fJ sont fermées dans la couche épitaxiale P 6 sur 35 le substrat F- 1. La poche isolés 16 représentée à titre d'exemple est caractérisée par une réfion 17 en natériau de conductivité,de type N+ assez fortement 20 dopé fconcentration d'impureté d'environ 10 atomss/cc] comprenant de l'arsenic et du phosphore, et une région 16 ayant une concentration d'impuretés de type N relativement plus faible et variant d'environ 1013 atomes/cc à proximité 16 40 de la région 17 à environ 10 - atomes/cc- à la, surfaceJ cett.e région comprenant 72 09920 4 2134360 le phosphore rétrodiffusé. Ce procédé a été décrit dans la demande de brevet n° 875 012 déposée aux E.U.A par la demanderesse le 10 "Jovembre 1969. Comme le montre ladite demande de brevet, divers éléments de circuits semiconducteurs peuvent être formés dans des poches isolées telles que les -oches 15 et 5 19. Par exemple, un transistor bf.polaire peut être forme en procédant à des diffusions base et émetteur successives dans une poche isolée. La présente invention est une extension du procédé décrit dans ladite demande de brevet et s'applique particulièrement à la formation de transistors intégrés bipolaires et FET dans et entre les poches isolées. Dans la réalisa-10 tion citée à titre d'exemple dans laquelle des poches isolées d'une impureté de type N sont formées dans une couche épitaxiale P sur un substrat P-, un transistor NPN et un transistor FET à canal P sont respectivement formés dans des poches isolées et un transistor FET à canal N est formé dans la couche épitaxiale entre ces poches isolées. La structure intégrée résultante 15 tire parti de façon originale du fait que chaque poche isolée est produite par rétrodiffusion de dopants vers le haut depuis l'interface couche épitaxiale-substrat. Cette rétrodiffusion produit une poche auto-isolée caractérisée par un profil d'impuretés qui varie entre une région inférieure assez fortement dopée (N+) et une région supérieure assez légèrement dopée CN). La 20 concentration d'impuretés dans la couche inférieure fournit des régions optimum sous collecteur et collecteur pour un transistor bipolaire NPN, alors que la concentration d'impuretés dans la région supérieure est beaucoup moins importante et permet d'obtenir des transistors FET aussi satisfaisants que possible. Des profils d'impuretés typiques pour l'arsenic et le phosphore 25 ainsi que les concentrations de dopant dans chaque poche auto-isolée sont représentés sur la figure 8. Les courbes en pointillés 9 et 10 représentent respectivement les profils de l'arsenic et du phosphore lorsque la rétrodiffusion n'est pas encore achevée, et les lignes 11 et 12 représentent les profils définitifs. Les lignes 38 et 39 représentent respectivement le dopage 30 du substrat P- et celui de la couche épitaxiale P. Un transistor bipolaire NPN est formé dans la région isolée 16, un transistor FET à canal P est formé dans la région isolée 19, et un transistor FET à canal N est formé dans la couche épitaxiale 6 entre les poches 16 et 19, comme on peut le voir sur les figures 4, 5 et 6. L'un des avantages 35 importants de la présente invention qui permet de conserver la simplicité du procédé de fabrication sans compromettre les caractéristiques de fonctionnement désirées des dispositifs réside dans la façon dont les régions base et émetteur du transistor bipolaire et dont les régions source et drain du transistor FET sont formées. Les régions source et drain du transistor 40 FET à canal P sont diffusées en même temps que la région de base du transistor 72 09920 5 2134360 NPN à l'aide des techniques classiques de diffusion et d'implantation cf'ions, par exemple une technique de diffusion en phase vapeur. Les régions source et drain du transistor FET à canal N sont formées en même temps que la diffusion de le région émetteur du transistor rjprj. fi. cette fin, les fenêtres 5 de diffusion 20, 21, 22 et 23 sont ouvertes dans la couche d'oxyde 15 de la figure 4 afin de permettre respectivement une diffusion simultanée P+ pour la formation de la région base d'un transistor bipolaire, du contact de substrat du transistor FET à canal N, et pour les régions source et drain du transistor FET à canal P. Le bore est une impureté qui peut être employée 10 pour effectuer ces diffusions simultanées. Dans le cas de la réalisation décrite, une diffusion en tube fermé utilisant comme source d'impureté du 19 bore avec une concentration de 7,5 x 10 atomes/cc, une température de 1000°C et un temps de diffusion de 60 minutes, produit une résistance de feuille de 169 ohms par carré et une profondeur de jonction base de 0,61ii. 15 La diffusion P+ est suivie d'un cycle d'oxydation Cnon représenté] à 907°C utilisant de l'oxygène pendant 5 minutes, de la vapeur pendant 45 minutes et de l'oxygène pendant 5 minutes, afin de produire une épaisseur d'oxyde de 2BOOA. La résistance de feuille et la profondeur de la jonction base précédemment obtenue sont augmentées et passent respectivement à 449 20 ohms par carré et à 0,66 y par suite du cycle d'oxydation. Un matériau photorésistant est ensuite appliqué de façon classique afin de délimiter les régions d'émetteur et de contact du collecteur ëu transistor bipolaire, les régions source et drain du transistor FET à canal N, et la rggion de contact du substrat du transistor FET à canal P. Les fenêtres de diffusion 25 24, 25, 26, 27 et 28 de la figure 5 sont ouvertes pour une diffusion N+ qui forme simultanément l'émetteur 29 et le collecteur 30 du transistor bipolaire NPN dans la poche isolée 16, le contact de substrat 31 pour le transistor FET à canal P+ formé dans la poche isolée 19, et la source 32 et le drain 33 du transistor FET à canal N formé dans la couche épitaxiale 30 6 entre les poches isolées 16 et 19. Dans la réalisation citée, les diffusions simultanées N+ sont de préférence effectuées par diffusion en tube fermé avec du silicium dopé à 1,55% d'arsenic à une température de 1000°C pendant 3D minutes. Cela donne une résistance de feuille de 20 ohms par carré et une profondeur de jonction 35 de 0,28jj dans les régions de diffusion N+. Un cycle d'étalement à 970°C, au cours duquel de l'oxygène, de la vapeur puis de l'oxygène sont employés pendant des durées respectives de 5, 20 et 5 minutes, produit une épaisseur d'oxyde de 3000A et une augmentation de la résistance de feuille et de la profondeur des jonctions, dont les valeurs passent respectivement à 30 ohms 40 par carré et à 0,35n dans les régions de diffusion N+. 72 09920 6 2134360 Lss transistors FET à canal .M et à canal P sont achevés de façon classique. On retire l'oxyde des régions actives du canal N et du canal P et on les fait croître de nouveau jusqu'à une épaisseur désirée. La charge de cet oxyde est ensuite stabilisée, par exemple par l'application d'une couche ^ de verre au phosphosilicate suivie d'un cycle de recuit. Enfin, la porte du transistor FET et la métallurgie des contacts sont formées de manière à obtenir le dispositif définitif renrésenté sur la figure 6. Les numéros de référence 34 et 35 désignent respectivement l'oxyde de la porte du transistor FET à canal N et celle du transistor FET à canal P. Les numéros ""-1 36 et 37 désignent respectivement la porte du transistor FET à canal N et celle du transistor FET à canal P. Comme on l'a précédemment mentionné, une diffusion d'arsenic est employée pour former l'émetteur du transistor bipolaire ainsi que la source et le drain du transistor FET à canal N. L'arsenic est préféré aux autres impuretés 15 de type N tel que le phosphore car un émetteur d'arsenic augmente la performance à haute fréquence d'un transistor bipolaire NPN. De dIus, l'arsenic se diffuse sur une distance beaucoup plus courte que le phosphore (pour établir une résistivité donnée dans le substrat), ce qui permet de rapprocher les fenêtres de diffusion de la source et du drain pour une longueur donnée 2° effective de canal de transistor FET. Cette réduction de la distance de diffusion facilite une augmentation substantielle de la densité des. composants au niveau du bloc. Par ailleurs, l'emploi de l'arsenic (au lieu, par exemple, du phosphore) en tant que dopant N+ pour la diffusion simultanée de la source, du drain et de l'émetteur, se traduit par le fait que les propriétés du 25 transistor bipolaire ne sont pratiquement pas affectées pendant les trois cycles ultérieurs de température qui sont nécessaires pour achever le transistor FET, c'est-à-dire le cycle pendant lequel on fait croître de nouveau l'oxyde de la porte à 970°C, le cycle pendant lequel on dépose le verre au phosphosilicate à 900°C et enfin le cycle de recuit à 1050°C. Il serait 30 extrêmement difficile de commander la largeur de la base d'un transistor bipolaire si du phosphore était employé pour réaliser la source, le drain et l'émetteur. Au contraire, l'arsenic, étant un dopant à diffusion plus lente, permet de mieux commander la largeur de la base. Il convient de noter que les paramètres de fabrication, y compris les 35 profils d'impureté mentionnés ci-dessus, ne sont donnés qu'à titre d'exemple. En général, les niveaux de dopage du substrat et de la couche épitaxiale, la concentration initiale du dopant (arsenic et phosphore, Dar exemple) dans le substrat, la profondeur des jonctions, etc.., peuvent faire l'objet de variations en fonction de considérations déterminées par la nature des dispositifs semiconducteurs qui doivent être formés dans les poches isolées 72 09920 7 2134360 ."i respectives. En ce qui concerna la concentration initiale de l'arsenic introduit dans le substrat, on a observé qu'une concentration élevée dépassant 21 10 atomes/cc environ donne lieu à un étalement latéral de l'arsenic le long de l'interface entre le substrat et la couche épitaxiale pendant que 5 l'on fait croître cette dernière. Cet étalement est indésirable car il tend à diminuer la distance entre les poches isolées M adjacentes, et, dans le cas le plus défavorable, pourrait même parvenir entre ces poches et par conséquent les court-circuiter. Différents moyens peuvent etre employés pour résoudre ce problème, notamment ceux ce qui sont décrits dans la publica- 10 tion en langue anglaisa intitulée "Silicon Semiconductor Technology" par W.R. Runyan, McGraw-Hill éditeur, 19B5, Dags 70. Le procédé le plus simole consiste sans doute à réduire la valeur de la concentration de surface initiale 21 pour l'arsenic à une valeur inférieure à 10 atomes/cc. Il y a également avantage à introduire brusquement une quantité supplémentaire de dopant 15 p lorsqu'on commence à faire croître- la couche épitaxiale dopée a l'aide d'un dopant de type P afin de compenser tout autodopage N+ ayant pour origine les régions analogues à des sous-collectsurs et Drécédemment placées dans le substrat. Bien que l'on ait décrit dans ce cui précède et représenté sur les 20 des'sins les caractéristiques essentielles de l'invention anpliquées 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 au de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 72 09920 2134360 REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs monolithiques, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: (a} la préparation d'un substrat semiconducteur d'un premier type de 5 conductivité, Cb) l'introduction dans le substrat, à travers certaines zones prédéterminées de surfaces, de deux impuretés du tyns de conductivité opposé, ces deux impuretés ayant des vitesses de diffusion différentes, te) la formation, sur le substrat, d'une couche épitaxiale de matériau 10 semiconducteur du premier type de conductivité, Cd) la soumission, de la couche épitaxiale et du substrat, à un traitement qui provoque la rétrodiffusion complète d'une des deux impuretés, et ce, à travers toute la couche épitaxiale pour atteindre la surface de cette coucëe épitaxiale qui est opposée à l'interface couche épitaxiale-substrat, 15 Ce) la formation, à l'une des zones prédéterminées de la surface, d'un transistor bipolaire qui est situé dans la région de la couche épitaxiale ou l'impureté afférente à cette zone a complètement rétrodiffusé. 2.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que dans l'étape Ce) on forme, à une autre zone prédéterminée de la surface, un premier 20 transistor à effet de champ qui est situé dans la région de la couche épitaxiale où l'impureté afférente à cette zone a complètement rétrodiffusé. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce quê l'on forme en outre un deuxième transistor à effet de champ dans la couche épitaxiale et ce, à l'extérieur des zones prédéterminées de la surface. 25 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les deux impuretés sont de l'arsenic et du phosphore. 5.- Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que la concentration d'arsenic est pilus grande que la concentration de phosphore. 30 6.- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que le transistor bipolaire et les transistors à effet de champ sont formés par diffusion, la base du transistor bipolaire et la source et le drain de l'un des transistors à effet de champ étant diffusés simultanément et, l'émetteur du transistor bipolaire et la source et le drain de l'autre 35 à effet de champ étant diffusés simultanément. 72 09920 9 2134360 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'impureté diffusée pour l'émetteur est de l'arsenic et l'impureté diffusée pour la base est du bore. 6.- Procédé selon les revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le transistor bipolaire ainsi formé est du type MPN, le premier transistor à effet de champ est à canal P et le deuxième transistor à effet de champ est à canal M. 9.- Dispositif semicondacteur monolithique du genre de ceux obtenus par le procédé défini selon l'une quelconque des revendications précédentes.