Brevet FR2139667A1 — publié le 19730112

La présente invention concerne un procédé de réalisation, dans unerplaquette semi-conductrice constituée d'un substrat recouvert d'un dépotA épitaxique, d'une microstructure électronique plane comprenant des éléments actifs dont au moins un transistor à base diffusée, procédé selon lequel une couche enterrée fortement dopée est formée aux emplacements des collecteurs des tra# sistors, et des zones de contact également fortement dopées sont diffusées à partir de la surface jusqu'à chacune desdites couches enterrées. La présente invention concerne également les dispositifs semiconducteurs réalisés suivant ce procédé. Les divers éléments semi-conducteurs actifs et passifs constituant une microstructure électronique du type circuit intégré sont gériéralement répartis dans un certain nombre de caissons formés dans une couche déposée par épitaxie sur un substrat. Le dép8t épitaxique et le substrat ayant des types de conductivité opposés, la méthode connue de réalisation de ces caissons, qui doivent être isolés les uns des autres, consiste à diffuser à -partir de la surface de la couche épitaxiale des cloisons dtiso- lement de mSme type de conductivité que le substrat, et suffi somment profondes pour pouvoir assurer, avec ce dernier, 1'iso- lement des divers caissons par polarisation inverse des jonctions formées entre ces cloisons diffusées et la couche épitaxiale contenue dans lesdits caissons. La formation de ces cloisons d'isolement exige une ou plusieurs opérations comportant chacune au moins une photograsure, un dépit de prédiffusion, -une diffusion. On sait qu'il y a avantage, dans la fabrication d'un circuit intégré, à diminuer le nombre des opérations. Chacune, outre une augmentation du prix de revient, apporte des risques supplémenttaires de déchets et certaines sont susceptibles de compromèttre les résultats obtenus par les opérations précédentes; en particulier les diffusions profondes, comme doivent# ï'#tre les diffu'-- sions de cloisons d'isolement, exigent des températures élevées et des traitements de durée prolongée qui peuvent être préjudi ciables aux dispositifs. D'autres méthodes d'ieolement ont été proposées, dites d'4pi- taxie inversée, les divers caissons étant isolés au moyen d'au moins une couche mince de matériau isolant, le plus souvent un oxyde du matériau semi-conducteur du substrat. Ces méthodes com portent un grand re d'apérations et sont d'application délicate. L'isoSement est ef aze mazais obtenu vau prix d'une grande complexité, de difficultés technologiques plus importantes et le coat en est élevé. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients des méthodes connues de réalisation de microstructures électroniques, et de diminuer le nombre des opérations deodiffusion, en particulier de supprimer des diffusions profondes te. îles que les diffusions dtisolement, sans ajouter d'autres opéràtions, délicates ou de eoût élevé. Un autre but de l'invention est d'assurer l'isolement réciproque des divers éléments d'un circuit intégré, par des moyens simples et efficaces, ne nécessitant pas l'application d'une tension pour la polarisation d'une jonction comme dans le cas des diffusions d'isolement. La présente invention s'appuie sur la considération de la résistivité de la couche épitaxique dans laquelle sont formés les éléments actifs d'une microstructure, en particulier des transistors, dont la base est diffusée dans cette couche épitaxique. On sait par ailleurs que ces transistors, dont le collecteur doit comporter une zone enterrée fortement dopée dite semelle de conduction, formée entre la couche épitaxique et le substrat, ont le plus souvent une zone superficielle également dopée dite zone de contact, à la surface de laquelle est pris le contact de collecteur. Selon l'invention, le procédé de réalïsation, dans une plaquette semi-conductrice constituée d'un substrat recouvert d'fun dépôt épitaxique, d'une microstructure électronique plane comprenant des éléments actifs dont au moins un transistor à base diffusé, procédé selon lequel une couche enterrée fortement dopée est formée aux emplacements des collecteurs des transistors et des zones de contact également fortement dopées sont diffusées à partir de la surface de la plaquette' jusqu'à chacune desdites couches enterrées, est remarquable principalement en ce que, la diffusion de ladite base étant effectuée jusqu'à une profondeur telle que la jonction base collecteur dudit transistor s'établisse à un niveau atteint par la diffusion de ladite couche enterrée, une impureté constituant une source de centres de recombinaison est diffusée dans la plaquette de façon que sa concentration dans ledit dépôt épitaxique soit du même ordre que celle des impuretés de dopage existant dans ce La concentration de l'impureté créant des centres de recom- binaison et celle de 1' impureté de dopage du dépôt épitaxique étant du mtme ordre, le matériau de celui-ci se trouve sensi blement compensé et sa résistivité est très élevée, elle peut être aisément de plusieurs ordres de grandeur supérieure à la résîstivité initiale de ce dépôt épitaxique Les éléments de la mlerostructure sont ainsi compris dans un matériau quasi lsolant et des diffusions de cloisons d'isolement ne sont plus nécessa#t#:# L'isolement est obtenu sans application d'aucune tension de pour risation.Par contre, la jonction base collecteur des transistors à base diffusée est située à un niveau où le matériau n'est plus compensé du fait de la présence de la couche enterrée, et lorsque cette jonction est en inverse, les limites de la zone désertée formée et les caractéristiques de cette jonction dépendent avant tout de cette couche enterrez, On constate ainsi que la résistivité de la couche épitaxique n'a plus une influente directe et primordiale sur les caractéristiques d'un transistor. On sait par ailleurs qu'une diffusion d'une source de centres de recombinaison de porteurs de charge est effectuée dans une pUquette portant un circuit intégré lorsque les caractéristiques dynamiques doivent être améliorées. Par exemple, pour des circuits logiques réalisés dans des plaquettes de silicium et dont la rapidité de commutation est primordiale, on effectue une diffusion d'or à partir d'un dépôt d'or prévu sur la face arrière de la plaquette. Avantageusement, l'impureté créant les centres de recombinaison sert en même temps à améliorer les caractéristiques dynamiques d'un dispositif, en diminuant la durée de vie des porteurs libres, et à isoler les uns des autres les divers éléments du dispositif en provoquant la compensation des impu retés de dopage dans la couche issue du dépôt épitaxique. En particulier, pour un circuit réalisé dansune plaquette de silicium, dont la couche déposée par épitaxie est de type de conductivité N, on diffuse de l'or à partir d'un dépôt de prédiffusion effectué sur la face de la plaquette opposée à la face de diffusion des éléments actifs du dispositif. L'isolement des éléments actifs est ainsi obtenu sans aucune opération spécifique supplémentaire. De préférence, la concentration en atomes d'or diffusés dans le dépot épitaxique est amenée à atteindre au moins deux fois, avantageusement trois fois, la concentration initiale des atomes donneurs dans ce dépôt, ce dernier rapport pouvant correspondre sensiblement à la compensation aux températures voisines de l'ambiante.La concentration en impuretés de dopage 14 16 du dépôt épitaxique étant comprise entre 5.10 et 5.10 par cm3, la concentration en atomes d'or peut être comprise entre 1015 et 1017 par cm) D'autres métaux peuvent être utilisés à la place de l'or, pour être diffusés dans la plaquette dans le même but. Ces mé#aux- sont choisis pour leur faculté à créer des centres de recombinaison et pour leur rapidité de diffusion dans le matériau de la plaquette. Par exemple, le platine peut être utilisé dans le cas du silicium. La profondeur de diffusion des bases dépend notamment de l'éw paisseur de la couche épitaxique déposée et l'épaisseur de cette dernière est A déterminée, entre autres, en fonction des caractéristiques attendues des transistors, en particulier des tensions de claquage entre émetteurs et collecteurs et des tensions de saturation des transistors. Dans le cas d'application du procédé selon l'invention, cette épaisseur de couche épitaxique peut être par exemple comprise entre 4 et 10 microns, de préférence entre 6 et 8 microns pour un circuit intégré à fonction logique dont les transistors fonctionnent en saturation et compte tenu d'une résistivité de cette couche épitaxique de l'ordre de 0,5 n #cm. Suivant la nature des éléments constituant la microstructure et les caractéristiques attendues de ces éléments, il est parfois avantageux de prévoir, autour de chaque élément (autour d'un transistor par exemple) une région en forme d'anneau, obtenue par diffusion à partir de la surface de la couche épitaxique simultanément à la diffusion de la base des transistors et avec la même nature et la même concentration d'impureté que cette dernière. Cet anneau, ainsi obtenu sans aucune opération supplémentaire peut être, en service, polarisé au potentiel le plus négatif du circuit (s'il s'agit d'une région de type de conductivité P au sein d'une couche épitaxique de type de conductivité N) et contribue à diminuer les courants de fuite superficiels entre éléments devant être isolés les uns des autres. L'invention est applicable à la fabrication de microstructures électroniques telles que les circuits intégrés, et en par ticulier à la réalisation de circuits intégras dit à logique sa tuée, pouvant prendre deux états distincts repérés 1 et 0, dans 1'un'desquels au moins chaque élément est amené à saturation. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe d'un transistor à base diffusée, au sein d'un circuit intégré. La figure 2 est un diagramme montrant le profil des concentrations dans un transistor intégré. La figure 3 est une coupe d'un transistor à base diffusée, au sein d'un circuit intégré, et avec un anneau de complément d'isolement, Sur les dessins, les couches isolantes d'oxyde, formées au #cours des différents traitements thermiques et photogravures, n'ont pas été représentées, dans le but de rendre les figures plus explicites. En outre, dans le même but, les proportions géométriques ne sont pas respectées notamment dans le sens de l'épaisseur des plaquettes. La figure 1 est une coupe partielle d'un circuit intégré réalisé dans une plaquette constituée d'un substrat de silicium 11, d'un premier type de conductivité par exemple du type P, sur la surface 12 duquel est déposée une couche épitaxique 13 du type de conductivité opposé. Le circuit intégré comprend au moins un transistor à base diffusée dont les différentes ré gitons sont représentées sur le dessin. Préalablement au dépôt épitaxique de la couche 13, une plage de prédiffusion est prévue à la surface du substrat aux emplacements des collecteurs de transistors, en vue de la diffusion des semelles de conduction 14 de ces collecteurs, qui doivent être très dopées Dans le cas du présent exemple, ces semelles sont de type N+. Dans la couche épitaxique et à partir de sa surface sont diffusées les zones de contact de collecteur 19, de type N+, qui doivent etre assez profondes pour rejoindre les couches enterrées 14 obtenues à partir des dépôts de prédiffusion précités, puis on diffuse le-s bases 15 de type P et dans les régions de base, on diffuse les émetteurs 17 de type N+. Une mince pellicule dtor lg est déposée sur la surface du substrat 11 oppose~ a la couche épftaxique 1) et est or est ensuite diffusé dans toutes la plaquette par un traitement ther- mique approprié. Selon l'invention ce traitement est déterminé en vue d'apporter au silicium de la couche 13, une concentration d'atomes d'or du même ordre de grandeur que la concentration en atomes d'impuretés de dopage de cette couche. De plus à#l'îssue de l'ensemble des opérations thermiques que subit la plaquette, la jonction 16 entre la base 15 et le collecteur, doit s'éta- blir entre la base et la couche 14. Cette jonction et les régions adjacentes apparaissent schématiquement sur la figure 1.On sait qu'en réalité les concentrations d'impuretésdans- les régions diffusées ne sont pas uniformes et que les diffusions provoquent des profils de concentration, en fonction de l'épaisseur de la plaquette notamment. De ce fait la jonction 16 entre base et collecteur s'é-ta- blit entre la base 15 et la couche 14, mais dans une partie de celle-ci relativement peu dopée, ce qui ressort du diagramme de la figure 2, qui montre les profils de concentration en nombre d'atomes par cm3 en fonction de la profondeur, dans un transistor à base diffusée identique à celui qui est représenté en coupe sur la figure 1. Le trait mixte 21 indique les concentrations initiales d'impuretés de dopage dans la couche déposée par épitaxie et dans le substrat. La courbe 22 donne le profil de concentration en impuretés de type N dans la couche enterrée de collecteur. La courbe 23 donne le profil de concentration en impuretés de type P diffusées dans la base et la courbe 24 le profil de concentration en impuretés de type N diffusées dans l'émetteur. Les concentrations résultantes sont indiquées en 25 pour l'émetteur, en 26 pour la base, en 27 pour la couche enterrée de collecteur, la jonction base collecteur s'établissant en 28, correspondant au point d'intersection des courbes 22 et 23. La distance 29 correspond à la zone désertée lorsque la jonction 28 est polarisée en inverse. La diffusion d'or est faite dans des conditions de durée et de température qui doivent donner, dans l'exemple présent, une concentration de l'ordre de 1016 atomes par cm3 et ainsi ne modifient pas sensiblement la résitivité de l'émetteur et de la couche enterrée de collecteur. Les techniques de diffusion, notamment dans le silicium, sont bien connues et permettent à l'homme de l'art d'obtenir les va leurs de concentration et les profils de concentration qui lui sont indispensables. Dans le cas d'un transistor réalisé selon l'invention, il est en outre nécessaire de considérer l'épaisseur du dont épitaxique, qui doit être assez faible pour que la pro fondeur de diffusion de base exigée par le procédé selon l'invenf tion ne soit pas excessive. On donne ci-après, un exemple d'appll= cation du procédé selon l'invention, zanis le cas de réalisation d'un transistor intégré dans une plaquette de silicium. La plaquette substrat est de type P, dopée au bore et pré sente une résistivité initiale de 10 Qem. On prou de à un dépôt de prédiffusion d'arsenic selon une plage correspondant à la couche enterrée de collecteur. Un dépôt épitaxique est réalisé avec dopage au phosphore, avec une concentration de l'ordre de 1016 lui donnant le type N et correspondant à une résistivité de l'ordre-de 0,5 Aom. L'épaisseur de la couche épitaxique est comprise entre 6 et 7 microns. On procède ensuite à la réalisation de la zone de contact de collecteur de type N par diffusion de phosphore donnant une concentration de 1017 atomes par cm3 au moins jusqu'à une pro fondeur de 6 microns. La base de type P est ensuite réalisée par diffusion de bore; un dépôt de prédiffusion est effectué et ce dépôt est diffusé par chauffage à 11804 C pendant quarante minutes. L'émetteur dé type N+ est ensuite réalisé selon les techniques habituelles, par diffusion de phosphore à 10000 C pendant vingt cinq minutes. Un dépôt dor > -de 1000 t d'épaisseur est alors ef fectué sur la face opposée de la plaquette, par évaporation sous vide par exemple. L'or est ensuite diffusé dans la plaquette par chauffage à 11000 C pendant un quart d'heure. La résistivité de la couche épitaxique est portée à plus de cent fois sa valeur initiale et devient supérieure à 100 Qcm. Le transistor représenté sur la figure 2, intégré dans une plaquette, de même type que le transistor de la figure 1, comporte un anneau de garde, diffusé simultanément à la base du transis tor, pour garantir l'isolement du transistor vis-à-vis d'éventuels courants de surface. Ce transistor est réalisé dans une plaquette constituée d'un substrat 31 sur lequel est déposée une couche épitaxique 33. Le collecteur est formé essentiellement d'une couche enterrée 34 obtenue à partir d'un dépôt de prédiffusion effectue sur la sur face 32. La base est diffusée en 35 et forme une jonction 36 avec la couche 34. L'émetteur est en 37. Le collecteur comporte une zone de contact 39, reliant la couche enterrée 34 à la surface de la plaquette. Un anneau 30 est diffusé en même temps que la base 35J et a même profil de concentration et sensiblement même profondeur que cette dernière. Une mince pellicule d'or 38 est déposée sur la face opposée de la plaquette et est diffusée dans la plaquette dans les conditions provoquant une concentration d'or du même ordre que la concentration en impureté de dopage de la couche épitaxique 33. Si l'anneau 30 est amené au potentiel le plus négatif du circuit intégré, il se forme, le long de la jonction entre cet anneau et la couche épitaxique, une zone désertée qui constitue un isolement complémentaire efficace. - REVENDICATIONS 1- Procéd de réalisation, dans une plaquette semi-conduc eanstitude stit e trice at recouvert dtun dépot épitaxique, d'une microstructure électronique plane comprenant des éléments actifs dont au moins un transistor à base diffusée, procédé selon lequel une couche enterrée fortement dopée est formée aux emplacements des collecteurs des transistors et des zones de contact également fortement dopées sont diffusées à partir de la surface de la plaquette Jusqu'd chacune desdites couches enterrées, caractéri s en ce que', la diffusion de ladite base étant effectuée jus qu'à une profondeur telle que la jonction base collecteur dudit transistor s'établisse à un niveau atteint par ladite couche enterrée, une impureté constituant une source de centres de recombinaison est diffusée dans la plaquette de façon que sa concentration dans le dépôt épitaxique soit du même ordre de grandeur que celle des impuretés de dopage existant dans ce dernier. 2.- Procédé de réalisation, dans une plaquette de silicium comportant un dépôt épitaxique de type de conductivité N, d'un circuit intégré plan, procédé selon la revendication 1 caracté riséenoequede l'or est diffusé dans ledit dépôt épitaxique à partir d'une couche mince de ce métal déposée sur la face opposée de la plaquette. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la diffusion d'or est effectuée jusqu'à une concentration au moins deux fois supérieure à la concentration initiale en impuretés du dépôt épitaxique. 4.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé eX ce que l'impureté constituant une source de centres de recombinaison est le platine. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'une région en forme d'anneau est diffusée autour de chaque élément de la microstructure, simultanément à la diffusion de la base des transistors, avec la même nature et la même concentration d'impuretés. 6,- Microstructure électronique plane comprenant au sein d'une couche épitaxique des éléments actifs dont au moins un transistor à base diffusée et à collecteur comportant une couche enterrée fortement dopée et une zone de contact également fortement dupée diffusée à partir de la surface jusqu a ladite couche enterrée, caractérisée en ce que, la jonction base collecteur dudit transistor entant située à un niveau atteint par ladite couche enterrée da collecteur, ladite couche épitaxique contient des impuretés de dopage et des impuretés constituånt une source de centres de recombinaison, les concentrations respectives de ces impuretés correspondant sensiblement à une compensation de ladite couche. 7. - Microstructure électronique plane selon la revendication 6, caractérisée en ce que les éléments de cette microstructure sont entourés d'anneaux diffusés dans ladite couche épitaxique, de meme type de conductivité, de meme concentration et de meme profondeur que les bases de transistor. 8.- Circuit intégré dans une plaquette de silicium à couche épitaxique de type N comprenant au moins un transistor à base diffusée, conforme à ltune des revendications 6, 7, caractérisé en ce que l'impureté créant les centres de recombinaison est l'or. 9.- Circuit intégré selon la revendication 8, caractérisé en ce que la concentration en or de la couche épitaxique est comprise entre 1015 et 1017 atomes par cm3, la concentration en impuretés de dopage de ladite couche étant comprise entre 5.1014 16 et 5.10 atomes par cm et l'épaisseur de ladite couche étant comprise entre 4 et 10 microns.