Brevet FR2129992A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples par la technique dite d'implantation d'ions. Ces dispositifs semiconducteurs à canaux multiples sont oommunément connus sous le nom de flgridistorff et sont notamment décrits dans le brevet fran çais N 1 317 256 du 16 décembre 1961 et les certificats d'addition NX 93 111 du 13 juin 1967, N' 93 763 du 17 octobre 1967, Nb 93 857 du 30 novembre 1967 et N 94 388 du 21 mars 1968. On sait que l'implantation d'ions consiste dans le bombardement par des ions dopants ou non, d'énergies comprises entre quelques dizaines de keV et quelques centaines de keV d'un substrat semiconducteur. On obtient ainsi un profil de concentration d'impuretés ayant sensiblement l'allure d'une courbe de Gauss dont le pic se trouve à une distance de la surface fonction de l'énergie. Contrairement à la technique de diffusion pour laquelle le maximum de concentration se trouve toujours en surface, on peut obtenir des pics de concentration situés entre quelques dizièmes de microns et quelques microns de la surface. On conçoit aisément que cette technique puisse être mise à profit pour réaliser en une seule opération une couche enterrée. Aucun phénomène du type diffusion latérale" ne vient dégrader la précision géométrique des masques utilisés lors de l'implantation, toutes les opérations se faisant à des températures faibles devant les températures de diffusion couramment utilisées. L'implantation se fait à travers une couche métallique superficielle déposée sur une plaquette de matériau semiconducteur et à travers un masque créé sur cette couche métallique pour préserver les emplacements des canaux du gridistor. Il est connu que le nombre de canaux par unité de surface d'un gridistor est limité principalement par la résistivité de la couche semiconductrice constituant la grille qui doit être faible. Pour diminuer cette résistivité, il convient donc de doper très fortement la grille; il en résulte la formation d'un grand nombre de défauts dans la plaquette de matériau semiconducteur entre la grille enterrée et la couche métallique superficielle (cette dernière est destinée à constituer une électrode du transistor terminé ). La grille est ainsi mal isolée de la couche métallique superficielle. Or, la technique d'implantation permet d'implanter des ions non-dopants aussi bien que des ions dopants, tels que par exemple O, N, C, qui au ,mentent fortement la résistivité du matériau semi-conducteur. Il est ainsi possible d'obtenir des résistivités supérieures à 104 ohm.cm. L'objet de l'invention est de créer par implantation d'ions une couche résistante au-dessus de la grille d'un dispositif semiconducteur. Ainsi, une structure de gridistor peut être obtenue au moyen de deux implantations successives, la première d'ions dopants servant à former la grille, la seconde d'ions dopants sou non-dopants servant à augmenter la résistivité de la région située au-dessus de la grille. Une première implantation ionique de nature, d'énergie et de dose convenables est donc effectuée dans une plaquette d'un matériau semiconducteur pour produire une grille sous forme de couche enterrée d'un type de conductivité opposé à celui du matériau semiconducteur. Puis la plaquette subit un traitement thér- mique au cours duquel les défauts du réseau cristallin créé par l'implantation sont supprimés. La nature des ions implantés détermine le type de conductivité désiré de la grille, l'énergie des ions implantés détermine l'épaisseur de la grille, c'est-àdire la longueur des canaux, et la dose, c'est-à-dire la charge par cm2 de surface, détermine- la concentration de porteurs dans la grille.La distance du maximum de concentration et l'épaisseur de la couche enterrée (écart type ou déviation standard de la-loi de Gauss), pour une implantation d'ions de nature donnée dans un corps semi-conducteur de nature donnée à travers un masque métal~ lique de nature donnée, sont tabulées par J.GIBBONS et W.JOHNSON "LSS Projected Range Statistios in Semiconductors", Stanford Bookstores 1970. Conformément à l'invention, une féconde implantation avec des ions,soit dopants mais de type de conductivité opposé à ceux employés lors de la première implantation, soit de préférence nondopants, est effectuée pour former une couche implantée au-dessous de la couche de grille, de résistivité plus grande que celle de la couche épitaxiée dans laquelle ont lieu les implantations. L'invention va entre maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente partiellement et schématiquement un gridistor fabriqué par le procédé de l'invention ; et - la Fig. 2 représente l'appareillage d'implantation. En se référant à la Figq 1, 1 désigné une plaquette d'un#maté- riau semiconducteur, du silicium n+ par exemple, 2 une couche de silicium n déposée par épitaxie sur la plaquette 1, 3 une couche de molybdène, 4 une couche d'or qui constituent un masque. Les épais seurs des différentes couches sont données dans l'exemple N 1 qui suit. La Fig. 1 ne respecte pas les épaisseurs relatives des couches. La grille 6 est produite par implantation d'ions bore ainsi qu'il va être expliqué. Cette grille délimite des dents 7 qui, par suite de ltabsence de diffusion latérale, ont une forme rigoureusement cylindrique. Dans la région 8, située entre la grille 6 et la couche métallique 3, est implantée une couche à haute résistivité. Cette seconde couche implantée est faite par implantation, soit d'ions tels que O16, N14, C12 qui forment avec le silicium des composés isolants, soit d'ions dopants tels que P31 permettant dtob- tenir une compensation dtt semiconducteur. Exemple N' 1 Le matériau de départ est un substrat de silicium de type n de résistivité 0,01 ohm.cm. recouvert d'une couche épitaxiée n de 3 à 5 pm d'épaisseur environ et d'une résistivité de l'ordre de 1 ohm. cm. On dépose par pulvérisation cathodique, sur toute la surface de la couche épitaxiée de silicium, une couche de molybdène de 2000 A dtépaisseur environ, puis toujours par pulvérisation cathodique, sur toute la surface de la couche de molybdène, une couche dtor de 9000 A d'épaisseur environ. On fait ensuite dans les couches 3 et 4 par le procédé de pho togravure classique en technologie électronique, un masque aux emplacements des canaux conducteurs. Puis, avec ltappareillage qui va être décrit, on implante des ions bore d'une énergie de 1 MeV avec une dose de 1015 ions par cm et à une température de 77 K. Cette dose correspond à une charge de 1,6.10-4 coulombs par cm. On a ainsi formé la grille. On recuit 11 échantillon entre 4000 et 8000C sous atmosphère d'argon. On obtient ainsi des concentrations de porteurs de l'ordre de 5.1018 atomes par cm3 dans la grille, le maximum de concentra tion étant situé à 2 pm de la surface. On implante ensuite des ions lourds dopants (p31) ou neutres (o16, c1 ) avec une énergie de 500 keV pour augmenter la résistivité de la zone adjacente et au-dessus de la grille. Exemple N 2 Le matériau de départ est un substrat d'arséniure de gallium de type n de résistivité 0,001 ohm.cm. recouvert d'une couche épitstiée n de 2 pm d'épaisseur environ et d'une résistivité de l'ordre de 1 ohm.cm. La couchai de molybdène et la couche d'or sont déposées et le masque est for comme dans l'exemple N 1. On implantez des ions Zn64 d'une énergie de 1,5 MeV avec une dose de 1015 ions par cm (dose t 1,6.10-4 coulombs/cm). On recuit l'échantillon à 600 C sous atmosphère réduite d'arsenic. On implante ensuite des ions dopants S32 ou des ions neutres O16 avec une énergie de 500 keV pour augmenter la résistivité de la zone surmontant la grille. Cette implantation s'effectue à 77 K. Le procédé de l'invention a l'avantage d'éviter le dépôt de la deuxième couche épitaxiéek de silicium qui, dans le procédé de fabrication classique desh gridistors, sert a enterrer la grille et permet de bénéficier de la précision géométrique des zones implantées et de l'absence de diffusions parasites pour diminuer la section des canaux et leur espacement, sans pour autant augmenter la résistance de grille qui peut entre rendue très conductrice.Les gridistors résultants ont une structure présentant une capacité entre la grille et les canaux considérablement plus faible que celle obtenue par les techniques habituelles de diffusion et d'épitaxie et une capacité entre la grille et l'électrode constituée par la couche de masque qui se comporte comme une capacité de type métalisolant-semiconducteur plus faible qu'une capaaité métal-semiconducteur de mêmes dimensions. On va maintenant décrire l'appareillage d'implantation ianiqle. L'appareil d'implantation ionique est un générateur électrostatique à charge par courroie de Van de Graaff. Un tel générateur est bien connu dans l'art antérieur (voir par exemple "The Electrostatic Generator" pages 30 à 70 de l'ouvrage "Particle Accelerators" par M.Stanley Livingston et John P.Blewett, McGraw Hill book Company, 1962 > . L'accélérateur électrostatique est représenté en 10;; il désigne le tube à champ électrique constant, 12 la source d'ions et t3 un déflecteur de particules du type spectrographe de masse. Le faisceau sortant du déflecteur est soumis à une deviatzon magnétique du type télévision par les bobines 14 et 15 et tombe sur l'échantillon 16 porté par le porteéchantillon ou cible 17. Le courant collecté par la cible est 18 appliqué à un amplificateur-intégrateur/qui mesure la dose de rayonement reçu par l'échantillon. Bien entendu, d'autres ions dopants et non-dopants que ceux qui ont été décrits dans les exemples précédents peuvent être utilisés, par exemple AI pour le dopage positif, As pour le dopage négatif, etc... De même la multicouche métallique Mo + Au peut entre remplacée par d'autres couches métalliques, par exemple Cr + Ag +Au. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples comprenant une première implantation, dans une plaquette d'un matériau semiconducteur d'un certain type de conductivité, d'ions dopants de l'antre type de conductivité à travers un masque métallique obtenu par photogravure et préservant les emplacements des canaux, avec une énergie déterminée pour former une grille enterrée dans ladite plaquette au-dessous de sa surface, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une deuxième implantation d'ions dopants du même type de conductivité que la plaquette ou neutres et donnant avec le matériau semiconducteur des composés isolants, avec une énergie déterminée pour former dans ladite plaquette une autre couche enterrée adjacente et supérieure à ladite grille et ayant une résistivité plus grande que celle du matériau semiconducteur de la plaquette. 2 - Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples, conforme à la revendication 1 dans lequel le matériau semiconducteur est du silicium de type n, la couche métallique servant à l'implantation est une couche de molybdène adjacente à une couche d'or, les ions de la première implantation sont B ou AI et les ions de la seconde implantation sont choisis dans le groupe P, As, O, N, C. 3 - Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples conforme à la revendication 1 dans lequel le matériau semiconducteur est du silicium de type p, la couche métallique servant à l'implantation est une couche de molybdène adjacente à une couche d'or, les ions de la première implantation sont P ou As et les ions de la seconde implantation sont choisis dans le groupe B, AI, O, N, C. 4 - Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples conforme à la revendication 1,dans lequel les implantations sont faites à la. température de 77 K. 5 ~ Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples conforme à la revendication 1, dans lequel la première implantation a lieu avec une énergie de l'ordre de 1 à 1,5 MeV et la seconde implantation avec une énergie de l'o3?" dre de 0,5 à 1 MeV. 6 - Procédé de fabrication de dispositifs semiconducteurs à effet de champ à canaux multiples conforme à la revendication 1 comprenant en outre un recuit de la plaquette entre 400* et 800 C sous atmosphère neutre entre les deux implantations.