Brevet FR2119932A1 — publié le 19720811

1.- 2119932 La présente invention se rapporte au domaine des circuits intégrés semi-conducteurs. Dans les techniques des semiconducteurs, les dispositifs à effet de champ tels que les structures 5 MOS (métal-oxyde-semiconducteur), les structures MIS (métal-isolant-semiconducteur) ont pris de plus en plus d'importance. De tels dispositifs sont couramment employés pour les circuits intégrés et logiques, aussi bien que pour les réseaux de mémoires dans lesquels des réseaux importants de petits dispositifs 10 sont réalisés sur un seul substrat semiconducteur ou •une seule plaquette. Ces types d'assemblages sont couramment appelés circuits intégrés, et peuvent comporter des dispositifs permettant d'effectuer un certain nombre de types différents de fonctions, telles que des mémoires, des décodeurs, etc... 15 "La sécurité de fonctionnement et le rendement de l'opération de fabrication est un problème crucial dans de tels cas. Par exemple, un réseau de mémoires peut demander plusieurs milliers de dispositifs actifs par centimètre carré avec un rendement de cent pour cent. En corrélation avec le 20 rendement, on trouve les densités (c'est-à-dire î dispositifs/ surface) qu'on peut obtenir. Quand des densités plus fortes sont possibles, on peut montrer que ces densités plus fortes n'augmentent pas nécessairement la probabilité de défaut (c'est-à-dire n'abaissent pas le rendement). Par suite, on se rendra compte que 25 des densités plus fortes provoquent des rendements plus élevés. Le fait d'obtenir des densités plus fortes est donc un facteur vital pour obtenir des rendements élevés et une réalisation économique de ces réseaux. Cette invention a pour objet une méthode et une structure permettant d'obtenir des densités plus élevées. 30 Un modèle de dispositif à effet de champ, dont on parlera en détail ci-dessous, est un dispositif à effet de champ à gâchette au silicium bien connu dans le domaine de la technique sous le nom de structure MIS. On se rendra compte à la fin que, bien que cette invehtion traite en particulier, 35 d'une réalisation de gâchette au silicium, le fait de se référer à une telle structure n'est donné qu'à titre d'exemple, et que bien des avantages obtenus ici peuvent s'appliquer à d'autres modèles de dispositifs et, de manière générale, aux circuits intégrés. On trouvera la description de telles structures dans le 40 brevet US n° 3 475 234 du 28 Octobre 1969, intitulé "Méthode de 71 40949 2.- 2119932 fabrication de structures MIS". Dans les dispositifs à effet de champ de la technique antérieure (auxquels on se réfère ci-après sous le terme "SGD"), la structure a la forme d'une plaquette au silicium à structure plane dans laquelle sont formés une source 5 et un drain séparés par un intervalle, ainsi qu'une gâchette placée entre la source et le drain et située au-dessus de l'intervalle dont elle est séparée par une couche isolante. Celle-ci se présente couramment sous la forme d'un oxyde de silicium (SiC^); la gâchette formée dessus étant séparée de la couche isolante 10 par une couche de nitrure (c'est-à-dire Si^N^). La formation d'une telle structure de source, de drain et de gâchette composite, est obtenue dans la technique antérieure en déposant successivement (dépôt sous vide ou croissance) des couches d'oxyde, de nitrure de silicium et de 15 silicium sur toute la surface de la plaquette de silicium, puis, par des techniques photo-lithographiques, en décapant une partie de la couche supérieure de silicium, de façon à former la surface du dispositif en laissant apparaître le nitrure dans cette surface• 20 On forme ensuite une couche de sili cium sur toute la surface. Puis, par un procédé de photomasque et, ensuite, de décapage, les couches de silicium, de nitrure et d'oxyde sont sélectivement retirées de façon à former la structure de gâchette et à laisser apparaître les régions de source 25 et de drain. Ce n'est qu'avant de diffuser les impuretés dans la plaquette de façon à former la source et le drain, que la surface de la plaquette est exposée. Les hommes de l'art considéraient, jusqu'à maintenant, comme très important de protéger la surface de 30 la plaquette pendant une partie importante du processus de façon à éviter qu'elle ne soit éxposée aux éléments ambiants, et soumise à d'autres traitements pouvant avoir des effets'néfastes sur le rendement du procédé et les caractéristiques du dispositif„ Cette protection pendant le traitement, fut un des principaux a-35 vantages évoqués à propos de la technologie des gâchettes au silicium, En outre, on trouve dans une récente publication, que, si la mince région isolante sensible est protégée dès le début par les électrodes de gâchette au silicium, les risques d'endom-magement pendant le traitement ultérieur sont réduits (voir bre-40 vet U.S. n° 3 475 234, et IEE Spectrum d'Octobre 1969 pages 28-35) 71 40949 3.- 2119932 le présent procédé est en opposition complète avec les lois établies dans la technique antérieure et permet, néanmoins, d'obtenir des densités plus fortes et des rendements identiques, sinon meilleurp que ceux de la technique an-5 térieure» A cet effet, la présente invention concerne un circuit intégré comportant un certain nombre de dispositifs, dans lequel ces dispositifs sont formés dans un corps semiconducteur, circuit caractérisé en ce qu'il comporte un élément 10 d'interconnexion et de contact qui s'étend directement depuis la surface où une partie du dispositif doit être formée jusqu'à un autre dispositif, ce qui permet d'obtenir des circuits intégrés de forte densité. En résumé, la méthode de cette inven-15 tion consiste à laisser apparaître une partie du corps semiconducteur dans lequel un contact doit être réalisé, avant que soit formé tout autre dispositif ou élément de dispositif situé à l'intérieur, et à former un contact électrique avec la surface exposée. Le matériau qui constitue le contact ne doit pas empêcher 20 de façon sensible la formation d'un dispositif ou d'un élément de ce dispositif dans le corps semiconducteur. De préférence, le matériau du contact est le même que celui employé dans un dispositif adjacent faisant partie de la structure. Par exemple, dans un dispositif de gâchette au silicium, la gâchette de ces disposi-25 tifs adjacents est constituée, au moins en partie, par du silicium. Par suite, l'interconnexion entre le contact et le dispositif adjacent est formée par des techniques photolithographiques, et la gâchette ainsi que d'autres dispositifs réalisés à partir du même matériau sont formés pratiquement en même temps. Dans le 30 cas du SGD, le contact, l'interconnexion et les gâchettes sont' formés en partie simultanément et, par suite, les gâchettes, les interconnexions et les contacts sont rendus plus conducteurs, et la source et le drain sont obtenus par un procédé de dopage approprié tel que la diffusion d'une impureté appropriée de type F 35 (c'est-à-dire du bore) ou d'une impureté de type N (c'èst-à-dire du phosphore)» Le dispositif de cette invention consiste en un circuit intégré dans lequel un couple au moins de dispositifs est interconnecté par un élément de silicium continu 40 disposé entre le drain ou la source d'un dispositif et la gâchette 71 40949 4.- 2119932 du dispositif adjacent. Ce procédé d'interconnexion et la méthode ci-dessus donnent lieu à des circuits intégrés présentant de fortes densités sans modification des rendements existants*, Une réalisation conforme à la présente 5 invention est représentée, à titre d'exemple non limitatif, sur les figures ci-jointes, dans lesquelles : - la figure 1 représente des vues simplifiées en coupe d'une partie d'un dispositif à différentes étapes de fabrication conforme à cette invention, et 10 - la figure 2 représente une vue en perspective d'une partie du dispositif réalisé conformément à cette invention» En se référant à la figure 1a, le substrat 10 est, de préférence, un cristal de silicium monocristallin 15 (c'est-à-dire 111) orienté, découpé et poli avec un mélange de polissage bien connu d'acides fluorhydrique, nitrique et acétique saturés par de l'iode. Une couche épaisse d'oxyde de silicium 12 (SiOg) peut être obtenue à une température relativement élevée (c'est-à-dire 1050°C) ou déposée dessus. L'épaisseur du film peut 20 varier de 100 à plusieurs milliers d'angstroms. Cependant, une é-paisseur appropriée est de l'ordre de 1^w. (micromètre). Il est bien connu que la couche 12 peut être obtenue par d'autres méthodes comme la décomposition du tetraetheoxysilane ou un procédé de plasma comme décrit dans le brevet US n° 3 287 243 du 22 Novembre 25 1966. Puis, les régions de la source et du drain du dispositif final, et les régions de l'intervalle sont déterminées par un procédé de photomasque. Cela peut être réalisé grâce à des techniques de photomasque classiques. Par exemple, 30 une couche photorésistante telle que du EEPR dans une solution de xylène 1 pour 1 est appliquée sur la surface de la couche d'oxyde 12 par une seringue ou tout autre appareil à appliquer une couche photorésistante. On fait tourner la plaquette sur une machine à sécher à une vitesse de 15000 TPM de façon à obtenir un 35 revêtement uniforme d'épaisseur appropriée. La plaquette ainsi revêtue peut être alors séchée par un procédé de séchage approprié. Avec la couche résistante ainsi formée, la plaquette est maintenue en contact intime avec un photo-40 masque approprié à haute résolution, et exposée à un faisceau 71 40949 5.- 2119932 cylindrique de lumière ultraviolette. Le photomasque laisse apparaître la couche photorésistante, de sorte qu'après développement la couche d'oxyde 12 au voisinage des surfaces 14., n'est pas recouverte. Il est bien connu que le développement de la couche 5 photorésistante s'obtient par immersion dans un solvant approprié, par rinçage et par trempage, dans une solution d'acétone, et puis par cuisson au four. La couche photorésistance ainsi développée, on supprime par décapage la couche d'oxyde de silicium 12 à l'air libre, de façon à former les ouvertures 16 et à décou-10 vrir la surface 18 de la plaquette 10 (figure 1b). L'ouverture 16 étant ainsi formée et la couche d'oxyde 12 étant ainsi supprimée de façon à laisser apparaître la surface 18, on traite à nouveau la plaquette 10 par un procédé d'oxydation comme celui décrit auparavant en ce qui concerne la formation de la couche 12. Dans ce 15 cas, cependant, une mince couche d'oxyde 20 se forme sur la surface 18 dans la zone de l'ouverture 16, la couche ainsi formée ayant une épaisseur d'environ 0,1 ^ (micromètre). La mince couche d'oxyde 20 fait, finalement, partie de la structure de gâchette . 20 Dans les méthodes de la technique an térieure, il était courant de former des couches supplémentaires constituant la structure de' gâchette (c'est-à-dire Si^H^, et Si), la surface 18 restant complètement recouvertre et protégée jusqu'à ce qu'on la fasse apparaître avant de former la source et 25 le drain. Dans la plupart des procédés, de la technique antérieure, il était courant de former d'abord succéssivement une couche mince d'oxyde et de nitrure, et une couche épaisse d'oxyde avant de réaliser n'importe quelle opération de photomasque. Conformément à cette invention, la 30 couche d'oxyde 20 est sélectivement supprimée de façon à laisser apparaître la surface 18 de la plaquette 10 dans les surfaces qui reposent sur les régions dans lesquelles doit être formé un dispositif ou une partie de ce dispositif (figure 1c). Dans le présent modèle, une ouverture 22 est formée dans la surface-qui re-35 pose sur la zone proche,dans laquelle doit être ensuite formé un dispositif SGD. Cette ouverture est formée grâce aux techniques de photomasque dont on a déjà parlé au sujet de la formation de l'ouverture 16» Dans la figure 1d, une couche de sili-40 cium 24 est formée sur toute la surface. Cette couche peut être 71 40949 6.- 2119932 déposée par un procédé d'évaporation classique, par une décomposi- i tion pyrolytique de SiC^ et Hg,par pulvérisation cathodique ou par toute autre méthode connue; voir ce qui est décrit dans le brevet US H° 3 172 792 du 9 mars 1965 concernant un procédé pour 5 former une couche de silicium. La couche de silicium 24 est en contact avec la surface 18 de la plaquette 10 par l'ouverture 22, et est disposée sur la couche d'oxyde 12 de façon à reposer sur la mince couche d'oxyde d'un dispositif adjacent dans lequel doit être formée la gâchette, de sorte que le contact, l'interconnexion 10 et la gâchette forment un élément continu. On remarquera que, si la couche de silicitun 24 touche la surface 18 de la plaquette monocristalline 10, il est probable que dans cette région, la couche 24 soit sous la forme de silicium monocristallin. Dans les surfaces qui reposent sur les couches d'oxyde 12 et 20, la couche de 15 silicium 24 a la forme d'un silicium polycristallin. Dans le modèle préféré de l'invention, aucun nitrure de silicium n'est formé entre la couche 24 et les couches d'oxyde 12 et 20. Il est dans l'esprit de cette invention de réaliser de telles couches intermédiaires. 20 La couche de silicium 24 est alors traitée par un photomasque dans le but de supprimer tout le silicium à l'exception de celui qui forme les gâchettes, les contacts et les interconnexions, et dans le but d'ouvrir la mince couche d'oxyde qui ne comporte pas de silicium dessus. Il n'y a pas de 25 silicium sur la mince couche d'oxyde 20 au voisinage de l'endroit où la source et le drain doivent être formés. Dans d'autres cas, la mince couche d'oxyde est, également, supprimée là où. des résistances diffusées doivent être formées dans la plaquette 10. On constatera que la couche de silicium 24 n'a été représentée 30 dans la figure 1e que sous une forme simple et schématique dans laquelle elle apparaît comme reposant sur la mince couche d'oxyde 20 au voisinage de la source et du drain, alors qu'en fait, elle est décalée par rapport à la source et au drain (figure 2). La mince couche d'oxyde au voisinage de la source et du drain 35 est à l'air libre et accessible pour une opération de décapage par laquelle des ouvertures 30, ainsi que 32 et 34 sont simultanément formées (figure 1f). . ■ ; En revenant à la formation de la couche de silicium 24 par une opération de photomasque, voir la fi-40 gurê 1e, le fait de supprimer le silicium en excès provoque la 71 40949 7.- 2119932 formation d'une gâchette 36 et d'une interconnexion 38 qui comporte un contact 40 et se prolonge jusqu'à la porte 42 du dispositif adjacent. Cette formation du silicium nécessite des opérations de photorésistance et de décapage qui peuvent être réalisées de la 5 même manière qu'auparavant, le silicium laissé libre après application de la couche photorésistante, est décapé par une solution de décapage appropriée telle qu'un mélange d'acides fluorhydrique, nitrique et acétique saturés par de l'iode. On remarquera que la formation de la gâchette entraine des caractéristiques d'aligne-10 ment automatique, autrement dit que le masque photorésistant permettant de graver l'électrode de gâchette n'a pas besoin d'être plaeé de manière critique, la seule exigence essentielle en ce qui concerne le masque photorésistant est que la surface de gâchette soit contenue quelque part sur la mince couche d'oxyde. 15 Avec la formation du silicium, la configuration de la structure de la gâchette et du dispositif résultant commence à apparaître clairement (figure 1e). Avec la couche de silicium 24 formée suivant un réseau de gâchette de contact et d'interconnexion, la 20 mince couche d'oxyde sous-jacente 20 est formée au voisinage de l'endroit où doivent être formés la source et le drain. Cette couche sous-jacente libre via 20 de SiO^ peut être supprimée par du bifluorure d'ammonium, ce qui laisse apparaître la surface 18 de la plaquette de silicium 10 de chaque côté de la gâchette 36, 25 à l'exception des zones où la couche de silicium 24 a déjà formé un contact 40 avec la plaquette de silicium 10. Ainsi, les ouvertures 30, 32 et 34 sont formées en laissant apparaître dessous la plaquette 10. Ces ouvertures permettent aux impuretés choisies d'être diffusées dans la plaquette 10 pour former les 30 régions de source et de drain 44, 46 et 48. De plus, le contact de silicium 40, par comparaison avec le bioxyde de silicium, ne présente pas de barrière importante aux impuretés choisies, et ces impuretés passent à travers le contact 40 de façon à former une région de source ou de drain 50. 35 On effectue l'opération de diffusion, dans laquelle les régions de source, les régions de drain, les gâchettes, le contact et l'interconnexion en silicium sont réalisés. On remarquera que, puisque l'opération de diffusion a été réalisée après que la gâchette soit en place, le positionnement 40 convenable des jonctions de source et de drain, par rapport à 71 40949 6.- 2119932 la gâchette afin d'assurer un chevauchement précis mais minimum est assuré. De plus, les gâchettes, les contacts et les interconnexions deviennent suffisamment dopés par les impuretés pour devenir plus conducteurs. Par exemple, après dopage, le contact 5 40, les gâchettes 36 et 42 et l'interconnexion 38, ont une résistance inférieure à 200 ohms par carré. On traite d'exemples d'opérations de diffusion dans de nombreux brevets, tels que le brevet US N° 3.066.052 du 27 Novembre 1962. Le type de conductivité particulier 10 peut être du silicium de type P avec des régions de source et de drain de type N, cependant des structures avec des types de conductivités inverses peuvent être réalisées en employant un substrat de type N et des impuretés de type P telles que du bore à la place d'impuretés de type N pouvant être du phosphore„ La 15 figure 1f représente une plaquette à ce stade de traitement. Après la phase de diffusion, le dispositif est maintenant achevé à l'exception des interconnexions et passivation nécessaires. Une couche de bioxyde de silicium, de verre ou d'un autre matériau isolant est déposée sur toute la 20 surface. Des ouvertures sont photogravées dans cette couche déposée partout où l'on désire un contact entre la métallisation ultérieure et la plaquette de silicium sous-jacente ou le silicium déposé. L'aluminium s'évapore sur la surface, de sorte qu'il pénètre dans ces ouvertures, et les réseaux d'interconnexion 25 désirés sont déterminés par une autre opération de photomasque. Il est souhaitable de protéger le dispositif à la fois des avaries mécaniques pouvant advenir à son réseau d'interconnexion et de la contamination. Pour cette raison, une autre couche de verre peut être déposée sur la surface de la plaquette et traitée 30 par photomasque et photogravure de façon à laisser apparaître les bourrelets où les fils de liaison doivent faire contact avec le réseau d'interconnexion# D'autres opérations, telles que le recuit et l'alliage peuvent être utilisées comme cela est bien 35 connu dans la technique. Toutes ces opérations intérieures ont surtout pour but la formation d'une couche d'interconnexion et la protection du dispositif, et sont décrits dans les brevets nécessaires jusqu'à présent. En se référant à la figure 2, le dis-40 positif tel qu'il existe dans la figure 1, est représenté en 71 40949 g.- 2119932 perspective simplifiée, le dispositif représenté consiste en une plaquette de silicium monocristallin 10 de type P contenant des régions diffusées 48 et 50 de type H. Une couche épaisse de film isolant 12 repose sur une partie importante de la plaquette 10 5 (10.000 angstroms). Une couche plus mince de film isolant 20 est placée entre les régions de source et de drain 48 et 50 de façon qu'il y ait recouvrement (1.000 angatrbms)» Une électrode de gâchette 36 est formée par coïncidence sur la mince couche de film isolant 20, et est réalisée, de préférence, en silicium 10 avec, à l'intérieur, des impuretés conductrices choisies de manière appropriée, la région 50 possède un contact 40, et une partie d'interconnexion 38 prolongeant ce contact,- connecte la région 50 à un autre dispositif, tel que la gâchette d'un dispositif adjacent. De préférence, le contact 40, l'interconnexion 38 15 et la gâchette du dispositif adjacent sont tous réalisés à par* tir du même'matériau et sous forme continue, ce matériau étant, de préférence, du silicium. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit et représenté ci-des-20 sus, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention# 71 40949 10. 2119932 REVENDICATIONS '1Circuit intégré comportant un certain nombre de dispositifs, dans lequel ces dispositifs sont formés dans tm corps semiconducteur, circuit caractérisé en ce qu'-5 il comporte un élément d'interconnexion et de contact qui s'étend directement depuis la surface où. une partie du dispositif doit être formée jusqu'à un autre dispositif, ce qui permet d'obtenir des circuits intégrés de forte densité, 2.- Circuit intégré suivant la reven-10 dication 1, caractérisé en ce que ladite surface est du silicium monocristallin diffusé et en ce que le dit autre dispositif connecté à cette surface comporte du silicium polycristallin auquel est connecté la dite interconnexion. 3,- Circuit intégré suivant la reven-15 dication 2, caractérisé en ce que ladite interconnexion est non métallique. 4»- Circuit intégré comportant un certain nombre de dispositifs, dans lequel ces dispositifs sont formés dans un corps semiconducteur, circuit caractérisé en ce qu'-20 il comporte un élément d'interconnexion qui s'étend directement depuis la surface de silicium diffusée où une partie du dispositif doit être formée, jusqu'à une partie de silicium polycristallin d'un autre dispositif, ce qui permet d'obtenir des circuits intégrés de forte densité, 25 5.- Circuit intégré suivant la reven dication 4, caractérisé en ce que la dite interconnexion est du silicium, la dite partie du dispositif est la source ou le drain d'un dispositif du type à gâchette, et le dit autre dispositif est un dispositif du type à gâchette comportant une partie de 30 gâchette en silicium connectée de manière continue à la dite interconnexion. 6,- Circuit intégré comportant un certain nombre de dispositifs du type à gâchette, dans lequel un tel dispositif comprend une source et un drain séparés, formés 35 dans un corps semi-conducteur, ainsi qu'une gâchette placée de manière qu'il y ait isolément à tuae certaine distance au-dessus èt entre la source et le drain, circuit caractérisé en ce qu'il comporte un élément d*interconnexion, et de contact qui s'étend directement depuis la source et le drain d'un dispositif, jus-40 qu'à la gâchette d'un autre dispositif, ce qui permet d'obtenir 71 40949 2119932 des circuits intégrés de forte densité. 7.- Procédé pour former un circuit intégré, conforme à l'une quelconque des revendications de 1 à 6, comportant un certain nombre de dispositifs du type à gâchette, 5 dans lequel un tel dispositif comprend une source et un drain séparés formés dans un corps semiconducteur, ainsi qu'une gâchette placée de manière qu'il y ait isolément à une certaine distance au-dessus et entre la source et le drain, procédé caractérisé en ce qu'on effectue successivement : 10 - la formation d'une couche de silicium depuis la surface où doit être formée la source ou le drain, jusqu'à un dispositif adjacent; et - la diffusion d'un dopant dans la dite couche de silicium, de façon à former simultanément la dite source ou le dit drain et 15 un élément d'interconnexion conducteur depuis la dite source ou le dit drain jusqu'au dit autre dispositif. 8.- Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif adjacent comprend une gâchette comportant une couche de silicium, et en ce que l'opéra- 20 tion qui consiste à former une couche de silicium permet de former simultanément la gâchette du dispositif adjacent. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la diffusion d'un dopant dans la couche de silicium permet, également, et simultanément, de rendre la 25 dite gâchette plus conductrice. 10.- Procédé pour former un circuit intégré comportant une plaquette de semi-conducteur ayant une surface à structure plane et une région d'impuretés formée à l'intérieur, procédé caractérisé en ce qu'on effectue successi-30 vement : - la formation d'un masque sur la dite surface à structure plane, - la formation d'une ouverture dans ce masque, - le dépôt d'un matériau de contact et d'interconnexion sur ce masque, ce matériau étant beaucoup plus perméable aux dopants 35 employés afin de former la dite région d'impuretés puis le dit masque, - la formation du matériau de contact et d'interconnexion suivant tm réseau, et - la diffusion des impuretés dans la plaquette semiconducteur 40 via le dit matériau de contact dans la dite ouverture, de façon 71 40949 12.- 2119932 à former une région d'impuretés en dessous du dit contact et à proximité de celui-ci# 11Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que la plaquette de semiconducteur est du 5 silicium# 12.- Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que le dit matériau d'interconnexion est du silicium# 13.- Procédé suivant la revendication 10 12, caractérisé en ce que le matériau du masque est du bioxyde de silicium. 14.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit intégré comporte au moins un certain nombre de dispositifs à effet de champ au silicium 15 comprenant une source, un drain et une gâchette, en ce que la région d'impuretés formée est la dite source ou le dit drain, et en ce que la mise en réseau du matériau d'interconnexion permet de former simultanément un contact sur un dispositif interconnecté à la gâchette d'un autre dispositif, cette gâchette é-20 tant formée de manière simultanée# 15.— Procédé suivant la revendication 10 caractérisé en ce que les dites impuretés sont diffusées simultanément dans les matériaux d'interconnexion et de contact.