Brevet FR2129827A1 — publié le 19721103

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de transistors à effet de champ. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de fabrication de transistors à effet de champ complémentaires sur la même plaquette semi-conductrice, par une seule phase de diffusion, et une seule phase de dessin séparant les dispositifs à canal N des dispositifs à canal P. La fabrication des transistors à effet de champ à canal N sur des #Ìa#ttes semi-conductrices du type p, et des transistors à effet de champ à canal P sur des piquettes semi-conductrices du type n n'ont pas présenté jusqu'à présent de problèmes sérieux. Cependant, la fabrication des transistors à effet de champ complémentaires sur un seul substrat a soulevé de nombreux problèmes. Par exemple, au début de la fabrication d'un transistor i effet de champ à canal N sur un substrat de type n, il est nécessaire de donner à la pBpette une conductivité de type opposé dans la région du dispositif à canal N. Ceci nécessite non seulement une phase de diffusion supplémentaire, mais également des phases de masques supplémentaires, qui accroissent sensiblement le coût de ces dispositifs, et tendent à réduire son rendement. Un procédé permettant de palier à ces inconvénients est décrit dans la demande de brevet serial n0 679 957 de Dale M. Brown et William E. Engeler. Les transistors à effet de champ complémentaires réalisés conformément au procédé décrit dans cette demande de brevet nécessitent au moins deux phases de diffusion. Alors que dans de nombreuses applications ceci ne présente aucun problème , le cott de fabrication de ces dispositifs peut être réduit si le nombre de phases du procédé diminue. L'invention propose donc la fabrication de transistors à effet de champ complémentaires sur une plaquette semi-conductrice d'un seul type de conductivité, par une seule phase de diffusion. Le procédé conforme à l'invention nécessite également une seule phase de dessin , qd sépare les dispositifs à canal N des dispositifs à canal P. Les transistors à effet de champ complémentaires conformes à l'invention sont conçus à partir d'une source de diffusion en verre à double dopage. En résumé, selon une caractéristique de l'invenb tion, les transistors à effet de champ complémentafrecsont; fabriqués en dessinant sur une pellicule métallique recouvrant une plaquette semi-conductrice isolée d'un premier type de conductivité, en déposant une couche isolante dopée, d'un type de conductivité opposé, engendrant des impuretés sur la surface de la plaquette, en déposant une autre couche d'un premier type de conductivité engendrant la couche isolante dopée, en retirant les deux couches dans une région de la tranche et en déposant une impureté de type de conductivité opposé sur toute la surface de la plaquette, en diffusant les impuretés dans la plaquette pour former les régions de source et de drain pour un diSpositifs une région de source, de drain et de canal pour le dispositif complémentaire, et en réalisant les contacts de la sources du drain et de la gâchette pour chaque dispositif. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemples non limitatifss en référence au dessin annexé dans lequel la figure unique représente une série de schémas en coupe verticale d'une plaquette semi-conductrice > lors du procédé de fabrication de transistors à effet de champ compldmentaires, chaque schéma (a à r) correspondant à une phase du procédé. Sur la figure, plusieurs transistors à effet de champ, ayant chacun une configuration concentrique et une densité d'approximativement 2 500 transistors tous les 6s5 cm2 environ peuvent être formés conformément à un mode de réalisation de l'invention, sur la surface d'une plaquette 10 de silicium de type ns ayant des caraetdris tiques de conductivité du type n dues à l'inclusion d'un dopage relativement léger de l'ordre de 1016 atomes de phosphore par cm3 Bien que l'invention puisse être mise en pratique en utilisant d'autres semi - conducteurs tels que le germanium, l'arséniure de gallium, etc., l'invention sera décrite, dans un but de simplification, en référence à des dispositifs au silicium Une telle plaquette peut être constituée d'un disque, ayant approximativement un diamètre de 2,5 cm et une épaisseur d'environ 0 > 35 mm. Au début du procédé, une plaquette 10 de silicium convenablement préparée est placée dans une chambre de réaction, et chauffée à une température d'environ l0000C à l2000C > pendant approximativement une à deux heures, dans une atmosphère d'oxygène sec pur , pour former une pellicule 11 à croissance thermiques de bioxyde de silichmy d'une épaisseur d'environ 1000 . Après la croissance thermique, l'oxyde peut être recuit dans une atmosphère inerte d'hélium par exemple, pour améliorer l'interface oxyde -silicium. Après la formation d'une pellicule 11 de bioxyde de silicium sur la plaquette 10S celle-ci est recouverte d'une pellicule conductrice 12 de métal réfractaire tel que du molybdène ou du tungstènes ayant de bonnes caractéristiques d'adhérence à la pellicule 11 isolante en bioxyde de S iciumv et qui est chimiquement inerte en présence de la pellicule isolante à la température de diffusion, c'est-à-dire 10000C-11000C. En outres la pellicule peut être décapée dans un produit auquel résiste la pellicule de passivation.Cette pellicule 12 peut être formée sur la surface d1une pellicule isolante 11, par pulvérisation de molybdène dans une triode à décharge luminescente de 0 > 15 mm de mercure, en argon par exemple, pendant 15 minutes, tandis que le substrat est maintenu à une température d'environ 4000C. Après environ 15 minutes de pulvérisation, une fine pellicule 12 de molybdène, pouvant avoir une épaisseur de 5000 A est formée L'épaisseur de cette pellicule est soumise à de grandes variations, et peut aisément entre réglée en fonction du temps d'exposition du métal réfractaire pulvérisé, par exemple le molybdène. En fonctionnementg des pellicules fines de l'ordre de 100 A à o 10 000 A peuvent être formées et utilisées dans le procédé de l'invention. D'autres métaux conducteurs stables et non réactifs autres que les métaux réfractaires peuvent être utilisés. Par exemple, du silicium déposé peut être utilisé pour la pellicule conductrice 12. Par conséquent, S est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de métaux, mais peut utiliser tout matériau conducteur non réactif avec la pellicule isolante aux températures de diffusion, et pouvant fonctionner comme masques de diffusion. Après la formation de la pellicule 12, un dessin est formé sur celle-ci, et sur la pellicule isolante 11, par décapage sélectif. Pour celas des techniques classiques photolitographiques utilisent des photoréserves et l'irradiation. Ces techniques sont bin atmxe des spécialistes de la fabrication de semi conducteurss et ne seront pas décrites en détails. Pour plus de ddtailsg il est possible de se reporter à la demande de brevet de Brown et Engeler mentionnée ci-dessus. Le schéma d représente la configuration d'une pellicule de molybdène décapée 12 et d'une pellicule isolante 11 comportant un élément annulaire 13 formant la gâchette et un élément périphérique 14 percé d'une ouverture 15 de diffusion de la source, et d'une ouverture 16 de diffusion du drain. Les éléments 13 et 14 comportent des parties restantes en métal, et les ouvertures 15 et 16 comportent des parties sans métal d'une configuration décapée dans la pellicule 12 0 Ces parties restantes métalliques et sans métal forment les caractéristiques de structure d'un premier transistor à effet de champ à former dans la région à canal ~20S et les caractéristiques de structure d'un second transistor à effet de champ complémentaire 22 sont formées par un élément annulaire 17 constituant la gâchette et un élément périphérique percé 18 d'une ouverture 19 à diffusion de source et d'une ouverture 21 à diffusion de drain telle que représentée sur le schéma d.Les éléments 17 et 18 comportent des parties restantes métalliques et les ouvertures 19 et 21 comportent des parties sans métal d'un dessin décapé dans la pellicule 12, qui constituent une partie du transistor compldmentaire à former dans la région à canal N représentée par la référence 22. Après le dessin de la pellicule isolante 11 et de la pellicule de molybdène 12, une pellicule 25 dopée par un agent activateur est déposée sur la pellicule de molybdène. Dans le mode de réalisation représenté, la plaquette 10 a des caractéristiques de conductivité du type n, et peut induire des régions de source et de drain pour former un transistor, ainsi qu'une région à canal d'un type de conductivité opposé pour la source et le drain, formant l'autre transistor à effet de champ, un matériau isolant dopé par un accepteur, tel que par exemple du verre au#:#cr#de de silicium dopé par du bore, peut être déposé sur toute la plaquette. Ceci peut être obtenu par la pyrolyse d'un mélange d'argon saturé avec de 1'orthosilicate d'éthyle, partiellement saturé par du borate de triéthyle.Par exemple, ceci peut être effectué en faisant barboter de l'argon sec à travers l'orthosilicate d'éthyle à une vitesse d'approximativement 0,19 m3/h, et en faisant barboter de l'argon sec dans du borate de triéthyle à une vitesse #########d'environ O Ol9 m3/h > puis en faisant passer les écoulements combinés à une vitesse d'environ 0,209 m3/h sur toute la plaquette, celle-ci étant chauffée à une température d'approximativement 8000C pendant environ 15 mn pour former une pellicule de bioxyde de silicium dopée au bore, d'une épaisseur de 3000 . Après la formation de la pellicule 25 en bioxyde de silicium dopé au bore, il est nécessaire de déposer une fine couche de matériau isolant dopé de conductivité opposée, telle que par exemple une couche 26 de bioxyde de silicium dopé au phosphore d'une épaisseur de 1000 A . Ceci peut être aisément effectué par la pyrolyse d'un mélange d'argon saturé et d'orthosilicate d'éthyle, partiellement saturé avec du phosphate de triéthyle. La combinaison des deux gaz passe sur la plaquette, celle-ci étant maintenue à une température d'approximativement 8000C, comme pour la pyrolyse avec du borate de triéthyle. Après la formation de la couche 26 en bioxyde de silicium dopé au phosphore, les couches 25 et 26, dans la région 20 à canal P sont retirées photolitographiquement par un masque sélectif et par décapage, à l'aide de techniques connues, telles que celles décrites dans la publication d'Eastman Kodak intitulée "Photosensitive Resists for Industry", édition de 1962. Laplaquette est alors recouverte d'une fine couche de matériau isolant non dopé 27, tel que du bioxyde de silicium qui peut être aisément obtenu par la pyrolyse d'un mélange d'argon saturé avec de l'orthosilicate d'éthyle obtenu par exemple en faisant barboter de l'argon sec à travers silicate d'éthyle à une vitesse d'environ 0,19 m3/h pendant 25 mn, tandis que la plaquette est maintenue à une température d'approximativement 10000C. Après la formation de la couche 27 en bioxyde de silicium non dopé, une couche isolante 28 dopée par un accepteur est formée. Par exemple, une couche de bioxyde de silicium dopé au bore peut être déposée sur la couche 27 par pyrolyse d'un mélange d'argon saturé avec de ltorthosilieate d'éthyle, et partiellement saturé avec du borate de triéthyle, comme décrit ci-dessus. Après la formation de la couche 28 en bioxyde de silicium dopé au bore, la plaquette est chauffée à une température de diffusion de, par exemple, 11000cl et maintenue à cette température pendant approximativement 3 heures.Dans la région 22 de canal Ns le bore se diffuse dans la plaquette 10s pour former une région de type p,30, àl'intérieur de laquelle des régions 31 et 32 de diffusion, de source et de drain, de conductivité opposé, sont formées. Dans la région 20 de canal P, les régions 33 et 34 de diffusion de la source et du drain sont formées dans la plaquette 10. L'épaisseur des régions 31 et 32 est fonction de l'épaisseur des couches 27 et 28 et du temps de diffusion, comme il est bien connu des spécialistes. Les régions de source etdedrain étant formées pour le premier transistor, et les régions de drain, de source et de canal étant formes pour le second translstor, il est ensuite nécessaire de réaliser le contact électrique des régions de source et de drain et des gâchettes des deux transistors. Ceci peut être accompli par exemple par décapage photolitographique d'un trou circulaire sur chacune des régions de drain 32 et 34 > d'un anneau mince ayant une épaisseur radiale réduite pour chacune des régions de source 31 et 53s et, d'une ouverture relativement petite sur une partie de la région de base 30, qui constitue le contact de cette région. Après décapage des trous des régions de source et de drain, et des deux électrodes de gachette ainsi que de la région de base du transistor dans la zone 22, toute la plaquette est métallisée par évaporation sous vide d'aluminium par exemple, de manière que cet aluminium remplisse le vide décapé dans la phase précédente, pour réaliser un contact avec les électrodes de source, de drain, de base et de gâchette, et couvrir toute la surface de la plaquette. La plaquette métallisée est ensuite revêtue d'une couche de photoréservt et irradiée à travers un masque, permettant l'exposition des régions de contact, électriquement isolées l'une de l'autre.La plaquette métallisée est immergée dans un décapant pour l'aluminium, tel que par exemple un mélange d'acide phosphorique, d'acide acétique cristallisable et d'acide nitrique. S'il est souhaitable que différentes régions soient reîi4es intérieurement, un trajet de connexion peut être effectué à l'aide d'un masque. Le dispositif résultant est représenté sur le schéma i. Sur ce schdma , la partie 22 à canal N comporte une région de typez30, fonctionnant comme la base du second transistor, et des régions de source et de drain 31 et 32, de conductivité opposée. Dans la région 20, la partie principale de la plaquette 10 sert de base pour un transistor d effet de champ è canal P et 28 régions33 et 34 de type p sont diffusées dans la région 20, définissant ainsi les jonctions p-n de source et de drain 36 et 35. La région 13 de la pellicule de molybdène 12 où reste le métal constitue la gâchette sous laquelle se trouve le canal P. Un contact de base 40, de source 41, de drain 42 et de gGchette 43 sont réalisés pour chacune des régions métallisées du premier transistor. De façon similaire, un contact de base 45, de source 48, de gâchette 47 et de drain 46 sont réalisés pour les parties métallisées du second transistor. Il est bien entendu que, bien que l'invention soit décrite en fonction des régions de source et de drain, ces régions étant similaires, leurs fonctions peuvent éventuellement être interchangées. De cette manière, il est possible de réaliser une plus grande variété d'interconnexions simplifiées. Par conséquent, bien que chaque transistor à effet de champ ait une région de source et de drain, ces régions peuvent être utilisées indifféremment, selon l'application particulière considérée. En outre, bien que la région de base 30 de type p soit représentée entourant les régions de source et de drain 31 et 32, les dispositifs à effet de champ peuvent être fabriqués avec des régions de type p séparées, entourant des régions de Source et de drain. Ces derniers dispositifs sont particulièrement utiles lorsqu'ils fonctionnent selon une configuration où la source est reliée à la base. Pour mieux ilustrer un mode de réalisation de l'invention, la fabrication des transistors à effet de champ complémentaires se fait de la façon suivante : une surface A (1, o, 0) d'une plaquette ayant un diamètre d'environ 2594 mms en silicium de type N, et une concentration en phosphore de 5 x 1015 atomes/cm3, et une épaisseur d'environ 0,35 mm est soigneusement décapée dans un "décapant blanc" (3 parties d'acide fluorhydrique et une partie d'acide nitrique)g lavée dans liteau distillée, et chauffée dans une chambre de réaction, dans une atmosphère d'oxygène sec à une température de 10000C pendant deux heures, pour former une pellicule de bioxyde de silicium, dont l'épaisseur est d'environ 1000 A. la plaquette est recuit dans l'hélium à 1000 C pendant trois heures. Puis elle est chauffée ào une température de 400 C tandis qu'une pellicule de 5000 A d'épaisseur en molybdène est déposée sur celle-ci dans une triode à décharge luminescente, à l'aide d'une cible de molybdène dans 0,015 mm de mercure d'argon pendant 20 minutes.Une pellicule de photordserve est formée sur la surface de la pellicule en molybdène, et un masque ayant un dessin correspondant à la source, au drain et à la est placé sur la plaquette, la pellicule de photoréserve étant alors Fradiéee Après irradation, la plaquette est immergée dans un révélateur, qui supprime les parties non irradiées de la pellicule de photordserves et laisse le dessin et la région des parties irradiées. La plaquette est lavée dans l'eau distillée puis immergée dans un décapant d'acide orthophosphorique, pendant environ une minde pour retirer le molybdène exposé à travers le dessin de photoréserve. Après retrait du décapant et lavage dans l'eau distillée la plaquette est lavée dans de l'acide sulfurique concentré chaud (approximativement 1800C) pendant très peu de temps, environ 30 secondes, pour retirer la pellicule de photoréserve. La couche isolante exposée 11 est alors retirée par décapages dans des régions non recouvertes par la gâchette en molybdène. Après retrait de la plaquette du ddcapant, et lavage dans l'eau distillée, une couche de bioxyde de silicium dopé au bore, est formée sur cette plaquette, par pyrolyse de ltorthosilicate d'éthyle et du borate de tridthyle, dans un rapport de gaz volumétrique de 10/1. Ceci peut être effectué en faisant barboter de l'argon sec à travers l'orthosilicate d'éthyle à une vitesse d'environ 0,19 m#/h > et à travers du borate de triéthyle à une vitesse d'environ 0 > 019 m3/h. les vapeurs résultantes sont mélangées et passent sur la plaquette à une vitesse d'écoulement composite de 0,209 m3/h environ.La plaquette étant à une température de 800 C, trois minutes sont suffisantes pour former une pellicule de bbxyde de silicium dopé au bore d'une épaisseur de 1000 Ap ayant une concentration en bore de 1 x 1020 atomes dans la couche diffusée. Une couche de 1000 de bioxyde de silicium dopé au phosphore est ensuite formée sur la plaquette par pyrolyse de ltorthosilicate d'éthyle et d'oxychlorure de phosphore, POCI > dans un rapport volumétrique de 10/1. Ceci peut être effectué en faisant barboter de l'argon sec à travers ltorthosilicate d'éthyle à une vitesse d'environ 0,19 m3/h, et à travers POC1 à une vitesse d'environ 0,019 m3/h. Les vapeurs résultantes sont mélangées et passent sur la plaquette de silicium, à une vitesse d'écoulement composite d'environ 0,209 m3/H. La plaquette étant à une température de 8000C, une à une demi-minute environ est suffisante pour former une pellicule de 1000 A de bioxyde de silicium dopé au phosphores ayant une concentration en phosphore de 1x1020 atomes/cm3 dans la couche diffusée. La partie de la plaquette où doit être formé le dispositif à canal N est ensuite masquée par une photoréserves irradiée par de la lumière ultraviolette, et développée dans un révélateur de photorése##. La plaquette est ensuite immergée dans un décapant à l'acide fluorhydrique pendant environ deux minutes pour le retrait des couches en bioxyde de silicium dopé au bore et dopé au phosphore, de la partie non masquée de la plaquette. La plaquette est ensuite lavée dans de l'eau distillée et retourne dans la chambre de réaction où elle est revêtue d'une couche de 1000 A de bioxyde de silicium non dopés par dépôt pyrolytique d'un mélange d'argon saturé et d'orthosilicate d'éthyle, comme décrit ci-dessus. La #plaquette est ensuite recouverte d'une couche de 1000 A de bioxyde de silicium dopé au bore, par pyrolyse d'orthoslicate d'éthyle et de borate de triéthyleg comme décrit ci-dessus. La plaquette est ensuite placée dans une chambre de diffusion à une température de 11000Cs pendant approximativement 3 heures. La diffusion du bore dans la plaquette créée une région de type p à l'intérieur de laquelle sont formées les régions de source et de drain par diffusion de phosphore, créant ainsi un transistor à effet de champ à canal N dans une plaquette de type n. En même temps, le bore se diffuse dans la plaquette à proximité des régions de source et de drain de l'autre transistor pour former un transistor à effet de champ à canal P. Les contacts de la source, du drain et de la gâchette sont ensuite formés en décapant des trous à travers les couches isolantes, et en déposant une couche d'aluminium sur la plaquette. Cette couche d'aluminium est ensuite masquée et décapée de manière classique pour former les contacts d'électrode. La plaquette est ensuite chauffée approximativement à 5000C dans une atmosphère dthydrogène, pour réduire les densités d'état de surface. Les connexions électriques des contacts sont faites parthermocompression. Il apparat de ce qui précède que l'invention décrit un procédé nouveau de fabrication de transistors à effet de champ compldmentaires, sur une plaquette d'un seul type de conductivité, le dispositif résultant étant obtenu par une seule phase de diffusion > et une seule phase de dessin, séparant les dispositifs à canal N et à canal P. Bien que l'invention ait été décrite par rapport i certains exemples, de nombreuses modifications peuvent être apportées par les spécialistes. Par exemple, les dispositifs à effet de champ complémentaires peuvent être fabriqués sur une plaquette de type p, en modifiant convenablement les couches isolantes dopées par des impuretés, de manière à obtenir des caractéristiques de conductivité opposée à celle décrite ci-dessus. Dans cet exemple, il n'est pas nécessaire d'utiliser une couche non dopée de bioxyde de silicium pour ralentir la vitesse de diffusion, car les dopants donneurs ont des vitesses de diffusion inférieures aux dopants accepteurs. Par exemple, l'arsenic se diffuse plus lentement dans le silicium que le bore, et par conséquent, la couohe-de bioxyde de silicium non dopé n'est pas nécessaire. En outre, bien que la description du procédé de fabrication des transistors à effet de champ complémentaires ait mentionné des techniques métal-oxyde-semiconducteurs, l'invention peut également s'appliquer à des transistors planaires, et des dispositifs à effet de champ à jonctions. Il va de soit que l'invention est susceptible de nombreuses modifications ou variantes, sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de transistors à effet de champ complémentaires sur une plaquette semi-conductrice d'un seul type de conductivité, caractérisé en ce qu'il consiste à former une couche métal-oxyde dessinée, sur la surface principale de la plaquette semi-conductrice, avec des parties sans oxyde de métal et des parties où l'oxyde de métal reste, l'une de ces parties où l'oxyde métallique reste constituant une électrode de gâchette dans une première partie de la ssaquette pour un premier transistor, et une autre partie où l'oxyde de métal reste constituant l'électrode de gâchette dans une seconde partie de la plaquette pour un second transistor, à déposer des couches isolantes dopées d'impuretés d'une première et d'une seconde cànductivité, sur la surface de la pellicule d'oxyde métallique, la première couche ayant des caractéristiques de conductivité opposée du type induisant des impuretés dans la plaquette, et la seconde couche ayant des caractéristiques d'un même type de conductivité dans la plaquette ; à retirer la première et la seconde couche recouvrant la seconde partie de la plaquette ; à déposer une troisième couche isolante dopez pr des impuretés, et à conductivité induite, sur la première et la seconde partie de la plaquette ; à diffuser les impuretés dans la plaquette pour former les régions de source, de drain et de base du premier transistor, et de source et de drain du second transistor ; et à former des contatcs électriques pour la source et le drain, ainsi que les gâchettes des transistors à effet de champ. 2. Procédé selon la revendication 1J caractérisé en ce que la source et le drain du premier -transistor sont formés simultanément à la région de base. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second transistor a des caractéristiques de conductivité complémentaires de celles du premier transistor. 4. Procédé selon la recendication 1, caractérisé en ce que les régions de source et de drain des premier et secnnd transistors sont auto-enregistrées par rapport aux électrodes de gaochette. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les contacts électriques sont réalisés par décapage des ouvertures de contact à travers les couches isolantes dopées par des impuretés, formant les éléments métalliques de l'ouver- ture de contact, pour former les électrodes de contact de source et de drain, et le contact électrique de ces électrodes. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette semi-conductrice d'un seul type de donductivité est constituée de silicium de type n, la première et'la troisième couche isolante comportant des impuretés d'accepteurs, et la seconde couche isolante comportant des impu retés de donneurs. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette semi-conductrice d'un seul type de conductivité est une plaquette en silicium de type p, la première et la troisième couche isolante comportant des impuntés de donneurs, et la seconde couche isolante comportant des impuretés d'accepteurs. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule d'oxyde métallique est formée par croissance thermique sur une pellicule d'oxyde sur la plaquette de silicium, par dépôt dtune pellicule métallique mince sur la pellicule d'oxyde, et par dessin sur la pellicule métallique et la pellicule d'oxyde pour former une électrode de gâchette isolée, et des ouvertures de diffusion de la source et du drain. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le métal est choisi parmi un groupe constitué de molybdène, de tungstène et de silicium. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches isolantes dopées par des impuretés sont formées par dépôt pyrolytique.