Brevet FR2112280A1 — publié le 19720616

La présente invention concerne un procédé de fabrication des dispositifs semi-conducteurs, et plus particulièrement, un procédé de diffusion de matières solides dans des matières solides qui permet la diffusion sélective d:une impureté dans un 5 semi-conducteur, sans masque de diffusion, par 1^ mise en oeuvre d'une pellicule de verre contenant i* impur et Les transistors et les circuits intégrés en silicium sont fabriqués de nos jowrs par la Technique planar, La diffu-10 ■'ion sélective est effectuée à l'aide de bioxyde de silicium qui constitue un masque de diffusion, et qui est formé par oxydation thermique sur un substrat en silicium. Ce procédé de diffusion sélective est expliqué ci-aprf'S, Un masque de diffusion en bioxyde de silicium est formé sur la surface d'un substrat en sili-15 cium par «on oxydation thermique. Une fenêtre de diffusion est ouverte dans le masque de bioxyde de silicium par un procédé de photo-gravure. Le substrat en silicium est disposé ensuite dans un four de réacticn en phase gazeuse où il est chauffé, grâce à quoi une impureté constituée par du phosphore ou du bore est 20 déposée conme couche d'oxyde pur. Dans ce procédé, i« phosphore ou le bore est diffusé partiellement dans le silicium. Avant la diffusion finale, la couche d'oxyde déposée à la surface du silicium est supprimée par attaque c 'imique en laissant subsister la quantité nécessaire d'impureté à la surface du silicium. Si le 25 traitement par attaque chimique nse^t pas complet, il reste de l'oxyde à la surface de silicium avant le dépdv de l'impureté, ou bien l'oxyde n'est pas uniforme et la résistivite pelliculaire de la couche de diffusion peut varier d * u>ie fsçcn très nette. lie plus, l'impureté qui est laissée à lr- surface du silicium peut 30 se trouver à l'état de solution solide et ds nombreuses dislocations peuvent se produire. La couche de diffusion voulue peut être fomée par la diffusion de la quantité d ' impureté nécessaire indiquée plus haut. Ce procédé courant est mis en oeuvre dans une ■atmosphère d'oxygène qui a traversé de l'eau chaude et, au cours 35 du même processus, une pellicule protectrice ds bioxyde de sil£= cium est formée à la surface de la sou.-;: e de diffusion. Lorsqu • une autre diffusion doit être effectués dans la couche de diff~ ion, l'épaisseur de la pellicule protectrice doit être soffisa.rfc pour constituer un cache ou masque pour- 1 -dite- attire diffus irr ; 40 Cependant, l'épaisseur de la pelî r'.e"le protectrice et celle du bad original^ 71 36217 2 2112280 masque de diffusion utilisé en premier lieu sont différentes et une telle irrégularité de surface provoque une baisse de fiabilité du fait de coupures et de courts-circuits pendant le câblage ou pendant la réalisation du câblage à couches multiples du subs-5 trat semi-conducteur. L'inconvénient du procédé de diffusion sélective comportant la pellicule d'oxyde décrite plus haut, peut être supprimé par le procédé de diffusion de matières solide? dans des mati res solides, dans lequel l'impureté qui doit être diffusée est utili-10 sée comme source de diffusion. Dans ce procédé, la concentration de l'impureté dans la couche d'oxyde peut être réglée sur une gamme étendue, de manière que le réglage de la concentration de surface de la couche de diffusion puisse être facilité et qu'il soit possible également d'effectuer la diffusion à une tempéra-15 ture plus basse. D'habitude, cette couche d'oxyde n'est pas attaquée chimiquement pendant le traitement de diffusion effectué d ns une atmosphère d'azote et, en conséquence, ce procédé peut être simplifié en comparaison du procédé de diffusion sélective. Un procédé permettant d'effectuer une diffusion sélective par ce 20 procédé de diffusion de matière* solides dans des matières solides, consiste à laisser la couche d'oxyde sur la partie voulue de 1- surface du silicium, mais d'habitude, le bioxyde de silicium est utilisé comme m-sque de diffusion qui assure la protection finale du dispositif semi-conducteur. De ce fait, il faut 25 produire un mas ue de diffusion approprié par un procédé ou vin autre pendant la diffusion sélective d'une impureté. La présente invention concerne un nouveau procédé de diffusion sélective d'une impureté par le procédé de diffusion d'une matière solide dans d'autres matières solides, sans masque de dif-30 fusion. D'une façon générale, confo mément à l'invention, une pellicule d'oxyde contenant une impureté est formée sur une surface d'un substrat semi-conducteur, ensuite une pellicule destinée à empêcher l'oxydation est formée sur la partie de la pelli-35 cule d'oxyde située au-dessus de la région du substrat semi-conduc teur dans laquelle l'impureté doit être diffusée sélectivement puis le substrat est chauffé dans une atmosphère oxydante contenant de la vapeur d'eau, de manière que l'impureté puisse être diffusée sé] f-ctivement dans ladite région seulement. Conformément ^0 à l'invention, aucun masque de diffusion en bioxyde ou en nitrure .^ORIGINAL 71 36217 3 2112280 de silicium n'est formé sur le substrat semi-conducteur, mois la source de diffusion utilisée pour la diffusion d'une matière solide dans une autre, c'est-à-dire la pellicule d'oxyde qui contient l'impureté à diffuser, est déposée directement, Une 5 pellicule destinée à empêcher l'oxydation est formée sur la partie de la pellicule d'oxyde situ-'e au-dessus de la région du substrat semi-conducteur dan»; laquelle l'impureté doit être diffusée sélectivement. Le substrat seni-conducteur e°t chauffé ensuite dans une atmosp îère oxydante contenant de la vapeur d'eau. 10 Pendant ce traitement thermique, l'impureté est diffusée dans le se"ii-conducteur. Toutefois, de l'oxygène est diffusé dapui- la surface de la partie de la pellicule d'oxyde qui ne comporte pas de pellicule empêchant l'oxydation et, dans cette partie, la diffusii n de 1'oxygène précède la diffusion de l'impureté, de 15 sorte que cette dernière n'est pas diffusée et, qu'il ne se produit qu'une oxydation. La pellicule destinée à éviter l'oxydation empêche 1" diffusion de l'impureté hors de la pellicule d'oxyde, elle empêche l'oxydation du semi-conducteur avant la diffusion de l'impureté et el'e permet à la diffusion de s'achever avec la 20 concentration de surface voulue. L'impureté est diffusée vers l'extérieur de la partie de la pellicule d'oxyde sur laquelle aucune pellicule destinée empêchant l'oxydation n'e^t disposée et il a ét ' confirmé qu'une atmosphère oxydante contenant de la vapeur d'eau penet l'extraction d'une plus grande quantité d'im-25 pureté qu'une atmosphère d'azote. En conséquence, lorsque le processus de diffusion est terminé, il reste une plus grande quantité d'impureté dans la partie de la pellicule d'oxyde qui se trouve en dessous de la pellicule empêchant l'oxydation, et une quantité moindre d'impureté sur la partie de la pellicule d'oxyde sur la-30 que1le nuoune pellicule antioxydation n'a été formée. Lorsque le semi - conducteur est en silicium, la surface sur laquelle la pellicule empêchant l'oxydation n'a pas été déposée est protégé par le bioxyde de silicium fraîchement formé, et en particulier lorsque le composant principal de la pellicule d'o-35 xyde et de bioxyde de silicium, cette surface est protégée par du bioxyde de silicium dans lequel il reste une quantité moindre d'impureté. Lorsque le composant principal de la pellicule d'oxyde et du bioxyde de silicium et que l'impureté est du bore, la pellicule d'oxyde située en dessous de la pellicule empêchant 40 1'oxydâti on ne peut être éliminée par trempage du substrat en si- bad original 71 36217 4 2112280 -licium dans un liquide d'attaque chimique de la pellicule d'oxyde apr^s le processus de diffusion. La pellicule d'oxyde peut toutefois être éliminée par le même traitement c iimique lorsque l'impureté est du phosphore, car la rapidité d'attaque chimique 5 du bioxyde de silicium contenant du phosphore s'élève rapidement à mesure qu'augmente la concentration en phosphore. Dans ce cas, le pentoxyde de phosphore qui reste dans la partie delà pellicule d'oxyde sur laquelle aucune pellicule empêchant l'oxydation n'a été déposée exerce un effet de passivntion bien connu. 10 Une -eronde couche de diffusion peut être diffusée sur la première cour ne, de lr man ère s ivante : lorsque 1a première diffusion e*-t terminée, ln pellicule d'oxyde qu ' se trouve sur la surface dn se^i-condncteur est éliminée complètement. Une nouvelle pellicule d'oxyde contenant une impureté est déposée en^Hte 15 à la surface du semi-conducteur, et une pellicnl» empêchant l'oxydation est déposée sur la région dans laquelle l'imnureté doit être diffusée sélectivement. Le substrat est chauffé dans une atmosphère oxydante contenant de la vdpeur d'eau afin de provoquer la diffusion sélective de l'impureté, Dans certains c^s 20 un masque de diffusion en bioxyde de silicium est formé à la surface du semi-conducteur qui comprend 1* surface de la première couche de diffusion, mais non sur la surface de la seconde couche de diffusion, puis lr pellicule d'oxyde qui contient l'impureté est déposée, La diffusion de l'impureté s'effectue dans une 25 atmosphère d'azote par une atmosphère d'hydrogène et d'oxygène, La pellicule empêchant l'oxydation, qui est mise en oeuvre dans lr présente invention, ne doit pas empêcher complètement l'infiltration de l'oxygène dans le semi-conducteur. Il suffit qu'elle empêche sensiblement l'oxydation du semi-conducteur sous 30 la pellicule anti-oxydation et qu'elle permette la diffusion de l'impureté que contient la pellicule d'oxyde. Dans ce but, une pellicule isolante, telle qu'une pellicule d'un nitrure de silicium ou d'oxyde d'aluminium, ou d'un métal tel que du silicium, du chrome, du tungstène, du molybdène ou du nickel, est utilis'e 35 comme pellicule empêchant l'oxydation. Il a fallu jusqu'à présent prévoir un masque de diffusion pour la diffusion sélective de l'impureté mais la présente invention permet la suppression du masque de diffusion par un nouveau procédé de diffvisr: r-?!;: ve de matière solide dans une matière solide, dans lequel la ko source de diffusion est une pellicule d'oxyde qui contient l'ira- bad original 71 36217 5 2112280 pureté. Dans la tec nique antérieure, le processus d'oxydation thermique destin'' à la formation cru an s que e bioxyde de silicium provoque p-rfois une redistribution de i •' impureté que contient la co c"ie de diffusion forn^-e nuparav s,îy:, mais cet inconvénient peut être éliminé pr.r le proct'vaé te I: intention. De plus, conformémert à l'invention, une nouvelle pellicule de bioxyde de si lici i:;n destirée à pi'ctc^er la ?:!i"faoe du silicium peut être formée au voisinage- i-na-'diu:. àe j ;Iui~ci, pu cours du processus de diffusion sélective. Cette pellicule peut constituer la pellicule protectrice finale du dispositif semi-conducteur. D'autres caractéristiques et avantages de ln présente invention ressort iront au cours di- la description qui va suivre d'essais et de modes de réalisation. A titre d'exemple, on a décrit ci-sprès et illustré au dessin annexés un mode d • exécution du pro3*-'(;ô selon l'invention . Sur ce dessin, dent le a figures 1 à 3 sont des coupes d'un substmt semi-conducteur pendant le prcee«.sus de fabrication d'un transistor MOS { métal - oxyde - semi - conducteur ) selon l'invention. La figure 1 est une coupe du substrat en silicium qui a été revêtu de verre au borosiiioai.e, puis sélectivement de nitrure de «ilicium. La figure 2 est line coupe du .substrat en silicium de la figure 1 dans lequel 1 ' impureté a ét,-' diiîusée à l'aide du procédé selon la présente invention; La figure 3 est une coupe du substrat en silicium de la figure 2 nui a été revêtu d'une r-str-e destinée à l'élimination du verre au borosilicate sur les parties où les pellicules d'oxyde de la grille doivent être formées. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un substrat en silicium de type N dont la résistance spécifique est de 0,3 _0. cm et dont une surface est revêtue d'un-:- pellicule 11 de verre au borosilicate d'une épaisseur de 2500 A, qui contient du bore constituant l'impureté qui doit etra diffusée. La pellicule de verre 11 est formée par la réncLion en phase gazeuse de mono-silane Silï^, de diborane et d*cxyjnne« Le mono iilane eS !•? diborane proviennent tous les deux de bouteilles et sont dilués "tvec de l'argon avant d'être introduits dan- ic- four de réaction en phase payeuse avec un. ga^ véhicule constitué par de l'azote, bad original 71 36217 6 2112280 Le d^bit de diborane est égal à 1 c/o du débit total de diborane et de raonosilane. L'oxygène est introduit dans le four de réaction avec un débit égal à 20 fois le débit de raonosilane. La température de 1- réaction est de 450°C. Après formation de la 5 pellicule de verre 11, des pellicule' de nitrure de silicium 12, 13 sont for'n^es sélectivement jusqu'à une ép?>isseur de 1500 o A dans les régions où doivent être formés la source et le drain d'un transistor à effet de champ, à grille isolée. Ces pellicules de nitrure de silicium peuvent être formées par un procédé 10 bien connu. À savoir, le nitrure de silicium est déposé sur toute la surface de la pellicule de verre 11 pnr la réaction en phase gazeuse dfe raonosilane et d'ammoniac, puis le bioxyde de silicium est déposé sur le nitrure de silicium par la réaction en phase gazeuse de monosilane et d'oxygène. Le bioxyde de silicium 15 est éliminô partiellement et il re"te du bioxyde de silicium suivant un dessin identique nu dessin de nitrure de silicium qui doit rester. A l'aide de ce bioxyde de silicium qui ®$t utilisé comme masque, le nitrure de silic ium est éliminé par de l'acide phospborique bouillant, puis le masque en bioxyde de silicium 20 est éliminé par de l'acide fluorhydrique. On effectue ensuite le traitement de diffusion. Le substrat de silicium est placé dans un tube de quartz puis chauffé à la température de diffusion de 1100°C, De l'oxygène qui a traversé de l'eau chauffée à 98°C s'écoule dans le tube de quartz. Une variation de la durée de la 25 diffusion permet d'ob'tenir les résultats indiqués dan^ le tableau suivant. 30 35 Température de diffusion Durée de la di ffusion Tempé-raturè de 1' eau Résis-tivité pelli-culai-re Spaisseur ie la jonction Résistance sp^cifiquJ de la partie du substrat sur laquelle aucune pellicule de nitrure de silicium n'est formée 1100 20 98 139-1 M 6000 0.31-0.32 1 100 40 98 , 2-98. 1 9000 0.31 ! 1 100 60 98 65-67 15000 0.3 - 0.31 i ûe cette façon le type de conduction de la surface de la partie du substrat de silicium sur laquelle est formée la pel ■ ^0 licule de nitrure de silicium est inversé, tandis que sa résis- 8A0 Origine 71 36217 7 2112280 tance spécifique reste inchangée, de sorte qu'une diffusion sélective peut être effectuée de cette façon, La figure 2 est une coupe du substrat en silicium dans lequel la di:P-fusion est achevée.La source 14 et le drain 15 sont formés sous les pellicules de nitrure de silicium 12 et 13.La couche de diffusion du bore est en saillie,comme on le voit sur le dessin,du ikit que la diffusion est effectuée dans une atmosphère oxydante contenant de la vapeur d'eau à température élevée et que l'oxydation est rapide,Ceci est dû à l'oxydation du silicium pendant le traitement de diffusion.La diffusion hors de la partie de la pellicule de verre 11 qui n'est pas recouverte par le nitrure de silicium est accélérée du fait de 1 ' ataosph^ire contenant -le la vapeur ô ' eau, de sorte que seulement ,m«? tr«a faible quantité u:- bora reste la pellicule de verre 1 e t nie c5?ttc- p«ii±nule î î peirc ôtrr-? o sidérée comme étant sensiblement une pellicule de bioxyde de silicium pur. Il est inutile de dire qu'il existe dans l'interface entre la pellicule de verre 11 précitée et le silicium, une couche de bioxyde de silicium pur formée au cours du processus de diffusion et qui est liée étroitement au silicium de sorte que le dispositif semi-conducteur peut être protégé par cette couc'ie de bioxyde de silicium pur. Après formation dr> la source et du drain, une pellicule mince d'oxyde est formée pour la grille. Les pellicules de nitrure de silicium 12 et 13 peuvent être utilisées comme éléments d'un masque d'attaque de la pellicule de verre 11 et ce procédé peut être considéré comme un procédé d'alignement automatique, Ensuite, comme on le voit sur la figure 3 s une réserve 16 est déposée et la pellicule de verre située sur la partie dans laquelle doit être formée la pellicule d'oxyde de la grille, doit être éliminée par un traitement d'attaque chimique. Une nouvelle pellic le isolante de la grille e^t for""'e par oxydation thermique et le procédé classique e^t mis en oeuvre, de sorte qu'un transistor MOS à canal P peut êtru produit par ce procédé. Le- transistors MOS à canaux P, dont les caractéristiques sont différentes du transistor décrit plus haut peuvent être produits de la manière suivante. Deux lots de "rbstrats en silicium de type N de résistance spécifique de 3 ohms-cm, sont préparés et leurs surface^ sont revêtues de pellicules de verre au o borosilicate jusqu'à une épaisseur de 2000 A, Comme dans le mode d'éxecution précédent, cette pellicule de verre peut être formée par la réaction en phase gazeuse de monosilane, de diborane et * bad original 71 36217 8 2112280 d'oxygène, le débit du diborane étant égal à 1^-' du débit total de dibor-'ne et de monosilane, La température de réaction est réglée à 450°C . Comme dan« le mode d'exécution précèdent, des pellicules de nitrure 'le silicium sont formées SUT la pellicule de verre dans les régions où doivent être formés la source et le drain. L'épaisseur de la pellicule de nitrure de silicium o est de 2000 A. Du bore est diffusé dans le substrat en silicium du premier lot pendant 3 minutes à 1000°C ainsi que dans le substrat du second lot, pendant ^5 minutes à 1100°C. Pendant le traitement de diffusion, les substrats en silicium des deux lots sont mis en contact avec une atmosphère d'oxygène gazeux qui a traversé de 1 *efcu maintenue à une température de 90°C. La section du substrat en silicium dans laquelle le bore a été diffusé est représentée sur la figure 2, c'est-à-dire que le bore n'a été diffusé que dans la partie du substrat en silicium située sous le nitrure de silicium et Un transistor MOS à canal N peut être produit à l'aide d'un substrat en silicium de type P avec une pellicule de verre au phosphosilicate à In place do la pellicule de verre au boro-silicate. Dans ce cas, on utilise du aolybdène ou du tungstène à la place du nitrure de silicium co >"ie pellicule empêchant l'oxydation, du fait que le nitrure de silicium retarde la diffusion du phosphore» Le dessin en molybdène peut être produit par une attaque chimique à l'aide d'acide nitrique dilué, et le dessin en tungstène peut également être réalisé à l'aide d'un autre liquide d'attaque chimique. A. ■ bad original 71 36217 9 2112280 REVENDICATIONS 1. PrfCf'd'' de fabrication d'un dispositif semi—conducteur, caract/risô en ce fu'il consiste à former une pellicule d'oxyde contenant une impureté sur une surfnce d'un substrat seni-conduc teur, à former une pellicule e,rpêchnnt l'oxydation «ur la partie de ladite pellicule d'oxyde située au—dessus de la région du "ub^trat dans laquelle l*if"pureté doit être diffusée et à chauffer le substrat dans une atmosphère oxydante contenant de la vapeur d'eau, afin de diffuser 1 ' impureté seulement dans ladite région. 2. Pr'céd' de fabrication suivant la revendic-tion 1, caractérisé en ce -ue la matière de la pellicule empêchant l'oxydation est choisie par"ii le nitrure de silicium, l'oxyde d'aluminium, le silicium, le chrome, le. tungstène et le molybdène. 3. Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ à grille isolée , caractérisé en ce qu'il consiste à former une pellicule d'oxyde contenant une impureté sur une surface d'un substrat de silicium, à former une couche empêchant l'oxydation sur des parties de ladite pellicule d'oxyde située au-dessus des régions du substrat dans lesquelles une source et un drain doivent être formée et à chauffer le substrat dans une atmosphère contenant de l1 v peur d'eau afin de former la source et le drain. 4. Procédé suivant la revendication 3» caractérisé en ce que la pellicule d'oxyde est en verre au borosilicate» 5. Procédé suivant la revendication 3® caractérisé en ce que ladite pellicule d'oxyde est en re^rc* an phosphosilicate, 6. Procédé de fabrication suivant la revendication 3? caractérisé en ce q'ie le verre au bc-r o s i 1 i ~ a t e est utilisé comme pellicule d'oxvde et le nitrure de 53 il ici uni eo~îme pellicules empêchant l'oxydation, 7. Procédé de fabrication suivant la revendication 3» caractéri é en ce que le verre au phosphosilicate est utilisé com-e pellicule d'oxyde et une peî.1 ici e «né tallioue de tungstène ou de molybdène comme pellicule empêchent 1'oxydation. R. Procédé de fabrication suivant 31® revendication 3? caractérisé en ce qu ' il consiste, de p'js. à éliminer la pelîicr.i; d'oxyde entre la se rce et le drain en utilisant » comme masque pour l'attaque chimique, ladite pellie ,1e s^^f.ohant 1 ' oxydât i arrêt à former une pellicule-d'isolement de la grille sur la surface BAD ORIGINAL 71 36217 10 2112280 de silicium à découvert située entre la source et le drain, bad original