Brevet FR2134290A1 — publié le 19721208

La présente Invention se rapporte à la fabrication des dispositifs semi-conducteurs et elle concerne plus particulièrement le traitement auquel on soumet des pastilles semi-eonductriees pour obtenir une oxydation sélective et régler par ce moyen l'é-5 paisseur de l'oxyde en des endroits choisis de la surface de la pastille .Dans un mode particulier de mise en oeuvre de ce procédé, on réalise un transistor à effet de champ et à électrode de commande Isolée par utilisation d'une couche de nitrure de sili-eiura qui joue tout d'abord le rôle de masque de diffusion, puis 10 d'écran d'oxydation et, finalement de diélectrique de l'électrode de commande . Dans la fabrication d'un transistor à effet de champ et à électrode de commande isolée, le principal problème consiste à obtenir tin alignement précis du diélectrique de l'électrode de 15 commande, et de cette électrode, sur la région correspondante du corps semi-conducteur .Tout défaut d'alignement est coûteux puisque l'asymétrie résultante affecte la fiabilité du dispositif et peut même réduire considérablement le rendement des dispositifs qui satisfont par ailleurs aux spécifications du projet .De récents 20 perfectionnements comprennent diverses techniques d'auto-alignement de la structure de l'électrode de commande, mais ces perfectionnements ne sont pas propres à réduire suffisamment les capacités parasites^! la hauteur des gradins de la surface . Si le diélectrique de l'électrode de commande et la structu-25 re de cette électrode empiètent sur les zones de source et de drain, ceci introduit une capacité parasite qui limite sérieusement les caractéristiques de fréquence du dispositif. Un accroissement de l'épaisseur de l'isolant dans la région adjacente au diélectrique de l'électrode de commande tend certes à réduire cette 30 capacité ; toutefois, l'accroissement de la hauteur des gradins de la surface qui en résulte risque de réduire sévèrement les rendements obtenus au cours de la phase de métallisation consécutive. Un principal but de l'invention est donc de réaliser des techniques perfectionnées pour le traitement des pastilles semi-35 conductrices. L'invention a plus particulièrement pour objet tin procédé particulièrement utile dans la fabrication d'un transistor à effet de champ et à électrode de commande isolée . Un autre but de l'invention est de réduire la hauteur des gradins de surface qui sont normalement caractéristiques des pas 71 15577 2Î34290 tilles semi-condUQtEiaes portant des couches d'isolation qui comprennent des parties relativement minces et des parties relativement épaisses dans des régions adjacentes du dispositif- L'invention a également pour but d'apporter un procédé de fabrication 5 d'un transistor à effet de champ et à électrode de commande isolée qui présente des capacités parasites plus faibles et une bande de fréquence nettement élargie . Un autre but de l'invention est d'apporter un procédé de réglage sélectif de l'épaisseur d'au moins une partie d'une couche 10 d'oxyde de silicium formée sur un bloc en silicium, procédé dans lequel on forme une couche de nitrure de silicium sur ladite partie de la couche d'oxyde de silicium et on expose la structure à une atmosphère oxydante, ce qui a pour effet d'oxyder le silicium pour former une couche d'ojyie de silicium de plus forte 15 épaisseur aux endroits qui ne sont pas recouverts par le nitrure, tandis que les parties protégées par le nitrure ne s'épaississent pas notablement .La caractéristique clé de ce mode de mise en oeuvre consiste dans l'aptitude du nitrure de silicium à jouer le rôle d'un écran par rapport à une atmosphère oxydante qui contient 20 par exemple, de l'oxygène ou de la vapeur d'eau . L'invention a également pour but de réaliser un procédé perfectionné de diffusion sélective et d'oxydation sélective dans lequel on forme une pellicule adhérente d'oxyde de silicium sur un bloc de silicium , cette pellicule présentant des fenêtres qui 25 laissent libres certaines zones choisies de la surface du bloc de silicium. On forme également une pellicule adhérente de nitrure de silicium sur certaines parties choisies de ce bloc . Le nitrure est formé, soit en contact direct avec la surface du bloc de silicium , soit suivant une variante, sur une partie de la pel-30 licule d'oxyde de silicium . On expose la structure obtenue au contact d'une impureté qui déterminera le type de conductivité , contenue dans une atmosphère oxydante, ce qui a pour effet de diffuser sélectivement l'impureté dans les zones découvertes de la surface du bloc et en même temps d'oxyder sélectivement le sili-35 eium dans les zones qui ne sont pas protégées par le nitrure .La combinaison d'une diffusion sélective et d'une oxydation sélective peut être obtenue en une seule opération ou , en variante, séquentiellement, la diffusion sélective étant au moins partiellement terminée avant la phase d'exposition du bloc à une atmosphère 40 oxydante . C'est-à-dire que le dépôt préalable de l'impureté dé- 71 15577 3 2134290 terminante du type de conductivité est avantageusement réalisée dans une atmosphère non oxydante et que cette phase est suivie d'une phase de diffusion en profondeur conduite en atmosphère oxydante . Dans ce mode de mise en oeuvre, la couche de nitrure joue 5 à la fois le rôle de masque de diffusion et d'écran d'oxydation . L'invention est appliquée dans un procédé de fabrication d'un dispositif à effet de champ et à électrode de commande isolée, qui commence par la phase consistant à former un masque adhérent d'oxyde de silicium percé de fenêtres sur un bloc de silicium monocristal-10 lin d'un premier type de conductivité , et à munir le masque d'une pellicule imperméable à 1 ' oxygène Jbslle que le nitrure de silicium, par exemple, sur certaines zones choisies de ce masque .Les fenêtres du masque d'oxyde de silicium définissent les emplacements des régions de source et de drain qui devront être formées par .diffusion 15 sélective , tandis que la pellicule imperméable à l'oxygène définit l'emplacement de la région de l'électrode de commande, et les emplacements où des contacts ohmiques devront être établis sur le bloc de silicium . Le bloc semi-conducteur masqué est ensuite exposé à un dopant 20 approprié, pour établir le type de conductivité opposé dans les régions du semi-conducteur situées sous les fenêtres. En général, cette phase consiste à déposer préalablement un dopant qui sera ensuite diffusé en profondeur dans la masse du bloc .On expose ensuite le semi-conducteur ainsi masqué et portant le dépôt préalable 25 de dopant à une atmosphère oxydante dans des conditions de diffu -sion, pour diffuser le dopant plus profondément dans le silicium , et pour oxyder sélectivement la surface du silicium aux emplace -ments qui ne sont pas protégés par la pellicule imperméable à l'oxygène . On élimine sélectivement les deux couches de masque aux em--50 placements des contacts ohmiques, après quoi on munit la structure d'une mince couche conductrice pour former une électrode de corn -mande sur la partie restante de la pellicule imperméable à l'oxygène, en même temps que les électrodes de source et de drain qui traversent la couche épaisse d'oxyde pour entrer en contact avec les 35 régions de source -et de drain, respectivement . Dans la succession de phases décrite ci-dessus, la pellicule imperméable à l'oxygène forme, avec l'oxyde sous-jacent , le diélectrique de l'électrode de commande . Le dispositif résultant est caractérisé par une tension de seuil de 3*5 à 5*5 volts . Ce seuil 40 est nettement supérieur à la valeur qu'on pourrai«s'attendre à trou- 71 15577 4 2Î34290 ver dans ce dispositif, ceci en raison de la présence d'atomes d'oxygène libres qui migrent dans l'oxyde de l'électrode de commande au cours de l'oxydation et de la phase de diffusion profonde du traitement . Dans une variante de mise en oeuvre, on obtient 5 un seuil de tension plus bas, dans l'intervalle de 1,8 à 2,5 volts, en éliminant le diélectrique Initial de l'électrode de commande après diffusion et oxydation et en formant un nouveau diélectrique d'électrode de commande de plus faible densité d'état de surface . D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours 10 de la description qui va suivre . Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple : les Pig.l à 4 sont des vues à échelle agrandie et en coupe d'une pastille de silicium monocristallin et qui représentent divers stades intermédiaires de la fabrication d'un transistor à ef-15 fet de champ à électrode de commande isolée possédant un seuil de tension relativement élevé ; la Fig. 5 est une vue à grande échelle et en coupe du dispositif réalisé par le procédé représenté sur les Fig. 1 à 4 ; les Fig.6 à 8 sont des vues à grande échelle et en coupe d'une 20 pastille de silicium monocristallin et qui représente une variante de séquence de phases qu'on peut combiner aux phases représentées sur les Fig. 1 à 4, pour la fabrication d'une variante de réalisation de l'invention ; la Fig.9 est une vue à grande échelle et en coupe d'un tran 25 sistor à effet de champ complété par la variante de procédé représentée sur les Fig. 6 à 8 et qui présente un seuil de tension relativement bas . Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig.l, le procédé commence par le choix d'une pastille de silicium monoeristallln 11 possé-30 dant une conductivité de type n qui est obtenue par dopage au moyen de phosphore ou d'antimoine jusqu'à une concentration donnant une résistivité à peu près comprise dans l'intervalle de 1 à 10 ohm-cm. La pastille 11 est recouverte d'une couche 12 de bioxyde de silicium et d'une eouche 13 de nitrure de silicium, par utilisation de 35 techniques connues; par exemple, la couche d'oxyde est formée par oxydation thermique à une température d'environ 1000°C, prolongée de préférence pendant un temps suffisant pour donner une épaisseur d'oxyde de 400 à 600 angstroms. La couche de nitrure de silicium est de préférence d'une épaisseur de 600 à 800 angstroms et elle ^0 est généralement déposée par la réaction du silane sur l'ammoniac, 71 15577 5 2134290 à une température de 700 à 900°C. Sur la Fig.2, la pastille 11 est représentée dans l'état qu'elle présente lorsqu'on a découpé les couches 12 et 13 pour y former des fenêtres 14 et 15 qui définissent les emplacements des régions de source et de drain qui seront formées dans la pastille 11 par diffusion sélective . Les parties des couches 12 et 13 qui sont entourées par les fenêtres 14 et 15 définissent les emplacements où devront être établis les contacts ohmiques avec le semiconducteur . Le procédé préféré pour le découpage des couches 12 et 13 consiste à déposer un masque de chrome ou de molybdène et à attaquer ensuite par une solution de décapage aqueuse de HF de 0,2 à 2,0#, et à une température de 80°C. Le décapage exécuté dans ces conditions est avantageux parce que les vitesses de décapage de l'oxyde et du nitrure sont alors à peu près égales, ce qui évite pratiquement la formation de gradins et empêche l'enlèvement de matière en dehors des limites des fenêtres . Ensuite, on effectue un dépôt préalable de bore utilisé comme dopant, à une température élevée, et avec une concentration superficielle d'au moins environ 5 ohms par carré et de préférence de 10 à 50 ohms par carré pour former des régions superficielles 16 et 17 de conductivité du type £ . Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig.3* on procède ensuite à une élimination sélective de certaines parties du masque de ni-trure 13 pour laisser subsister uniquement la partie qui définit la région diélectrique de l'électrode de commande, et les emplacements des contacts ohmiques . Pour l'élimination sélective du nitrure, on utilise un masque en KMER, par exemple, et on attaque le nitrure au moyen d'une solution de décapage de HF dilué comme indiqué plus haut . Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig,4, on soumet ensuite la pastille à des conditions de diffusion et d'oxydation, sous l'effet desquelles le dopant déposé sur les régions 16 et 17 pénètre plus profondément dans le semi-conducteur, cette opération s'effectuant en même temps que la croissance sélective de l'oxyde 35 de silicium sur toutes les zones de la surface qui ne sont pas protégées par les parties restantes de la couche de nitrure 13. Etant donné que le bore diffuse latéralement à une vitesse qui est nettement supérieure à la vitesse de croissance latérale de l'oxyde, la région 16 s'étale pour donner une région de contact ^0 19 appropriée tandis que la région 17 s'étale pour donner naissance 71 15577 213429» à une z.one de contact 20 située au-dessous de l'oxyde 12 . On fait croître la couche épaisse d'oxyde à une épaisseur d'au moins 1/2 micron et de préférence d'au moins 1,0 micron . Dans un mode particulier de réalisation, le diélectrique de l'électrode de comman-5 de, qui comprend à la fois une couche d'oxyde et une couche de nitrure , présente une épaisseur de 0,12 micron tandis que la couche d'oxyde adjacente est d'une épaisseur de 1,2 micron .Etant donné que l'oxyde formé par procédé thermique remplace une couche de silicium d'épaisseur légèrement inférieure à la moitié de celle 10 de la couche d'oxyde, on obtient un gradin de 0,54 micron entre le diélectrique de l'électrode de commande et l'oxyde adjacent , ce qui représente la moitié de la hauteur de gradin qui est caractéristique de la technique antérieure . On met ensuite à nu les zones de contact 19 et 20 par une opération de décapage sélectif 15 qui élimine le nitrure et la couche d'oxyde mince pour permettre d'établir les contacts ohmiques sur la région de source et la région de drain respectivement . Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig.5#le dispositif terminé comprend des contacts de source et de drain 21 et 22 respective -20 ment, en combinaison avec une électrode de commande 23. La forme de réalisation représentée constitue un transistor à effet de champ à canal £ et è \rode-d'enrichissement . Il est évident que l'on peut fabriquer sans sortir du cadre de l'invention, d'autres formes de dispositifs comprenant des dispositifs à canal £ et à mode d'ap-25 pauvrissement ou à canal n et à mode d'enrichissement ou d'appauvrissement . Une caractéristique particulièrement significative consiste dans le fait que la région 24 du corps du semi-eonducteur qui forme le canal est contenue dans une "mesa" , qui est formée par transformation du silicium adjacent en oxyde . Le dispositif 30 ne présente donc qu'une faible capacité parasite, en combinaison avec de faibles hauteurs de gradins de surface . Pour obtenir des tensions de seuil plus basses, on peut appliquer une variante de mise en oeuvre du procédé, dans laquelle on poursuit le traitement de la structure représentée sur la Fig.4 35 pour éliminer le diélectrique initial de l'électrode de commande et ouvrir une fenêtre 25 comme représenté sur la Fig.6. Cette élimination s'effectue, par exemple en immergeant la pastille pendant 7 minutes dans une solution aqueuse de HF à 0,5^ à une température de 80°C . On forme ensuite un nouveau diélectrique d'électrode de 40 commande par oxydation thermique, par exemple de façon à former 71 15577 2134290 une couche d'oxyde de silicium 26 d'une épaisseur de 400 à 600 angstroms que l'on recouvre ensuite d'une couche 27 d'une épaisseur de 600 à 800 angstroms par dépôt de nitrure de silicium . On découvre ensuite à nouveau les zones de contact 15 et 20 comme 5 représenté sur la Fig.8 , après quoi on procède au dépôt de la matière conductrice et on découpe cette dernière pour former des électrodes 28, 29 et 30 comme représenté soir la Fig.9. On obtient de cette façon un transistor à effet de champ à électrode de commande isolée, à canal £ et travaillant en mode d'enrichissement, 10 ayant une tension de seuil de 1,8 à 2,5 volts et qui possède en outre les caractéristiques indiquées à propos de la réalisation de la Fig.5. Bien que l'on utilise habituellement l'aluminium comme pellicule conductrice pour former les électrodes 21,22 et 23 de la 15 réalisation de la Fig.5 et les électrodes 28, 29 et 30 de la réalisation de la Fig. 9.» il est quelquefois préférable de déposer une pellicule de silicium fortement dopée pour former les électrodes et les réseaux d'interconnexion combinés à ces dernières. Le silicium est déposé par des techniques déjà bien connues anté-20 rieurement et il est en majeure partie polycristallin, ainsi qu'il sera évident pour l'homme de l'art . Cette utilisation de silicium réduit au minimum les courants de fuite que l'on pourrait observer dans le cas contraire dans les zones des contacts ohmiques . Dans les formes de réalisation représentées, le bore diffuse 25 latéralement (Fig.4) pour donner lieu à une région continue 16 du type £ à l'emplacement du contact ohmique 19 et une région continue 17 du type jo à l'emplacement du contact ohmique 20. Dans d'autres formes de réalisation, le dispositif suivant l'invention comprend des emplacements de contacts d'une largeur supérieure à deux 30 fois la distance de diffusion latérale, auquel cas le centre de chaque emplacement de contact reste fait d'une matière du type 11 et à haute résistivité, ce qui conduit à la formation d'une barrière de Schottky entourée d'un contact ohmique . Si nécessaire, on peut facilement transformer cette barrière, après l'avoir mé-35 tallisée au moyen d'aluminium, en frittant le dispositif à une température suffisamment élevée pour provoquer un dopage du semiconducteur par l'aluminium. Un principal avantage de chaque forme de réalisation consiste dans la présence de cavités de contact d'une profondeur limitée à 40 peu près à la moitié de la profondeur des cavités de contact des dispositifs de la technique antérieure.Ceci améliore les résultats de la métallisation. 71 15577 B ZTÎ4290 REVENDICATIONS 1-Proeédé de fabrication d'un transistor à effet de champ et à électrode de commande isolée, caractérisé en ce qu'on forme un masque adhérent d'oxyde de silicium percé de fenêtres sur un bloc 5 monocristallin d'un premier type de conductivité, ce masque portant une pellicule imperméable à l'oxygène dans certaines zones choisies, dont font partie les zones où des contacts ohmiques doivent être formés ; on expose le bloc ainsi masqué à l'action d'un dopant approprié pour induire le type de conductivité opposé dans les ré-10 gions non masquées de la surface de ce bloc ; on expose le bloc masqué à une atmosphère oxydante , ce qui a pour effet d'oxyder sélectivement la surface du silicium dans des emplacements qui ne sont pas protégés par la pellicule imperméable à 1'oxygène; on élimine sélectivement le masque d'oxyde et la pellicule imperméable 15 à l'oxygène des zones des contacts ohmiques > on dépose une pellicule conductrice sur la structure et on la découpe pour former une électrode de commande sur ladite pellicule imperméable à l'oxygène en combinaison avec des électrodes de source et de drain qui passent dans des trous de la couche d'oxyde pour entrer en contact 20 avec lesdites régions du type de conductivité opposé . 2-Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule imperméable à l'oxygène est composée de nitrure de silicium . 3-Procédé suivant 1'une quelconque des revendications 1 ou 2, 25 caractérisé en ce que le silicium est du type de conductivité n et que le dopant est le bore . 4-Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le silicium est du type de conductivité j> et que le dopant est le phosphore ou l'antimoine . 30 5-Procédé suivant l'une quelconque des revendications précé dentes , caractérisé en ce que la pellicule conductrice est composée de silicium . 6-Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ et à électrode de commande isolée, caractérisé en ce qu'on forme un 35 masque de diffusion percé de fenêtres et adhérent en oxyde de silicium et de nitrure sur un bloc de silicium monocristallin d'un premier type de conductivité, ce masque comportant des emplace -ments dans lesquels des contacts ohmiques devront être établis ; on expose le bloc ainsi masqué à l'action d'un dopant approprié à 40 une température élevée pendant un temps suffisant pour transformer 71 15577 9 2134290 les régions découvertes de la surface de ce bloc en régions du type de conductivité opposé ; on élimine le nitrure de certaines parties choisies du type dudit masque de diffusion ; on expose la surface à des conditions d'oxydation pendant un temps suffisant pour complé-5 ter la diffusion dudit dopant dans une région sous-jacente à la surface dudit bloc et, en même temps, pour former un réseau d'oxyde de silicium relativement épais sur la surface du bloc sauf dans les régions dans lesquelles le nitrure subsiste ; on procède à un décapage sélectif pour éliminer le nitrure et l'oxyde dans les ré-10 gions des contacts ohmiques pour mettre à nu une partie des régions diffusées, et on forme un réseau de conducteurs qui entrent en contact avec les régions diffusées en même temps qu'on forme une électrode de commande sur le nitrure subsistant . 7-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la 15 couche d'oxyde située au-dessous de la couche de nitrure présente une épaisseur de 0,05 à 0,25 microns et en ce que le réseau d'oxyde de silicium relativement épais présente une épaisseur de 0,5 à 2,0 microns . 8-Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que 20 le nitrure de silicium présente une épaisseur d'au moins 600 angstroms . 9-Transistor à effet de champ et à électrode . de commande isolée, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc de matière semi-conductrice monocristalline d'un premier type de conductivité,dont 25 la surface comporte une première région située entre une deuxième et une troisième régions , ces deuxième et troisième régions étant situées à un niveau inférieur à celui de la première, et chacune de la deuxième et de la troisième régions portant un mésa semiconducteur pour faciliter l'établissement du contact ohmique avec 30 la deuxième et la troisième régions respectivement ». le bloc semiconducteur présentant une première région du type de conductivité opposé, qui s'étend le long de la surface de la première et de la deuxième régions de la surface de ce bloc, et qui comprend l'un desdits mésa , le bloc semi-conducteur comportant une deuxième ré-35 gion du type de conductivité opposé, qui s'étend le long de la surface de la première et de la troisième régions et qui comprend l'autre des mésa; une première couche diélectrique relativement mince qui recouvre la première région de la surface ; une deuxième couche diélectrique relativement épaisse qui recouvre la deuxième et la 40 troisième régions de la surface ; une électrode de commande qui re- 71 15577 10 2Î34290 couvre le premier diélectrique ; et des contacts ohmiques qui passent dans des trous de ladite deuxième couche de diélectrique pour entrer respectivement en contact avec les mésas des deuxième et troisième régions du type de conductivité opposé . 5 10-Transistor suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la surfecs de niveau inférieur est située de 0,1 à 1,0 micron au-dessous du niveau de la surface de ladite première région. 11-Transistor suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la couche diélectrique qui recouvre la première région semi -10 conductrice possède une épaisseur de 0,05 à 0,50 micror , et en ce que la couche diélectrique qui recouvre la-deuxième et la troisième régions semi-conductrices possède une épaisseur de 0,5 à 2,0 microns .