Brevet FR2130352A1 — publié le 19721103

213035? La présente invention concerne une méthode de fabrication de dispositifs semi-conducteurs dans laquelle on utilise des techniques de décapage ou de gravure à sec ou au moyen de gaz. Dans le processus de fabrication courant de dispositifs semi-5 conducteurs, on utilise normalement des réactifs d'attaque à acides dilués pour décaper des couches de silicium et de composés de silicium, tels que le nitrure de silicium, afin de creuser des trous dans ces couches. Avec les techniques normalisées de photolithographie et de gravure, on emploie souvent pour délimiter les zones â décaper des masques de KTFR (de l'anglais 10 Kodak Thin Film Resists, c'est-â-dire revêtement isolant Kodak sous forme de film mince) et de bioxyde de silicium. Il arrive souvent que ces réactifs d'attaque à acides dilués tendent â attaquer sous le masque en largeur au lieu de graver verticalement comme on le souhaite. Ces gravures larges peu profondes entraînent très souvent la formation de poches d'air à la 15 surface du dispositif fabriqué, dans lesquelles les impuretés sont piégées à l'interface entre la couche attaquée et la surface immédiatement voisine. Ces impuretés peuvent affecter les caractéristiques électriques prévues des dispositifs terminés et entraîner une réduction importante de leur rendement total. 20 On a trouvé qu'en utilisant un appareil standard à décharge luminescente sans électrode, servant auparavant pour déposer des' couches de composés de silicium, on peut attaquer à sec ou dans une atmosphère gazeuse des matériaux tels que le silicium ou des composés de silicium ou d'autres matériaux semi-conducteurs. 25 Suivant la présente invention, il a été découvert qu'en utilisant des techniques de décapage ou de gravure en atmosphère gazeuse pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, les couches attaquées étaient creusées verticalement et qu'il n'y avait pas d'affouillement sous le masque lui-même pendant l'attaque en atmosphère gazeuse. 30 Un objet de la présente invention consiste à prévoir une technique perfectionnée de fabrication de dispositifs semi-conducteurs en utilisant des techniques d'attaque en atmosphère gazeuse. Un autre objet de l'invention consiste à réduire le nombre des différentes étapes nécessaires à la production d'un dispositif semi-conducteur. 35 Un autre objet de l'invention consiste à prévoir une technique perfectionnée pour attaquer de manière sélective le silicium ou des composés du silicium. Suivant une caractéristique de la présente invention, il est prévu une méthode pour attaquer de manière sélective une couche d'un matériau choisi 40 dans un groupe comprenant le silicium ou des composés de silicium, cette 72 09314 2 2130352 méthode comportant les phases de formation d'un masque sur la surface de ladite couche, la partie de ladite couche qui doit être enlevée restant exposée, et d'attaque en atmosphère gazeuse desdites parties exposées en établissant une décharge luminescente au voisinage desdites parties exposées. 5 Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu une méthode de fabrication de dispositifs semi-conducteurs comprenant les phases de formation d'une couche diélectrique sur la surface du substrat semiconducteur, de formation d'un masque sur ladite couché diélectrique pour exposer de manière sélective des parties à enlever de ladite couche diélectrique, 10 d'attaque gazeuse des parties exposées de ladite couche diélectrique en établissant une décharge luminescente au voisinage desdites parties exposées jusqu'à ce que la surface du substrat soit exposée, et de formation d'un composant dans la surface exposée dudit substrat. Suivant une autre caractéristique de l'invention, il est prévu une 15 méthode de fabrication d'un dispositif MIS (Métal Isolant Semi-conducteur) comprenant les phases de formation d'une couche diélectrique sur la surface d'un substrat de silicium, de formation d'un masque sur ladite couche diélectrique pour exposer les parties de couche diélectrique qui doivent être sélectivement enlevées, d'attaque gazeuse des parties exposées de ladite 20 couche diélectrique jusqu'à ce que la surface du substrat soit exposée, d'élimination dudit masque, de dépôt d'une couche de bioxyde de silicium sur la partie exposée dudit substrat, de formation d'un' autre masque sur une partie de ladite couche de bioxyde de silicium pour définir une région de grille, d'attaque gazeuse de la région exposée de ladite couche de bioxyde 25 de silicium jusqu'à ce qu'une partie de surface dudit substrat définisisant la source et le drain d'un dispositif complet soit exposée, d'élimination dudit autre masque, de formation des régions de source et de drain dans les parties de surface exposées dudit substrat de silicium, de dépôt d'une couche de bioxyde de silicium sur la surface dudit substrat, de formation d'un 30 troisième masque sur ladite surface de bioxyde de silicium pour exposer les parties de ladite surface de bioxyde de silicium qui définiront les aires de contact pour les électrodes de source, de drain et de grille dudit dispositif, d'attaque gazeuse des aires de surface de bioxyde de silicium exposées jusqu'à ce que les régions de source, de drain et de grille soient 35 exposées, et de formation de contacts ohmiques avec lesdites régions de source, de drain et de grille. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées 1 à 8 qui représentent les différentes phases de la 40 fabrication d'un dispositif semi-conducteur suivant l'invention. 72 09314 3 2130352 Dans l'exemple de réalisation le plus simple, on pourrait simplement constituer un dispositif semi-conducteur, tel qu'une diode, en appliquant les techniques d'attaque gazeuse employant un appareil à décharge luminescente sans électrode de type connu. 5 On peut, par exemple, utiliser un substrat de silicium de conductivité P et d'orientation cristalline 100, dont la résistivité est de 1 à 10 -A.-cm environ, et former sur une de ses faces une couche de passivation d'une épaisseur de 10 000 X. Cette couche de passivation peut être en bioxyde de silicium et peut être formée de toute manière connue, par exemple en la 10 déposant à partir d'une décharge luminescente sans électrode ou en la faisant croître à chaud en atmosphère d'oxygène à environ 1150#C. On peut, en utilisant des techniques de masquage classiques, former un masque convenable, tel qu'une trame normalisée en KTFR (revêtement isolant Kodak sous forme de film mince), sur la couche diélectrique pour exposer d'une manière sélective 15 les parties de cette couche qui doivent être enlevées. Alors, en utilisant un réacteur à décharge luminescente, on peut graver un trou en atmosphère gazeuse dans la couche de Si02- Cela est réalisé en établissant une décharge luminescente au voisinage de la surface du masque de KTFR, l'atmosphère de l'appareil contenant du fluor ou un composé de fluor, tel que du tétrafluorure 20 de carbone (CF^). On établit normalement la décharge luminescente à haute fréquence en appliquant un signal à haute tension provenant d'un générateur HF, ayant une puissance HF de 1,5 kW à I MHz, à des bobines HF ou des électrodes à l'extérieur de l'enceinte. Le fluor est ionisé dans la décharge luminescente, 25 et comme celle-ci est établie au voisinage de la surface du revêtement KTFR et de la couche de S1O2 — à environ 1,5 mm de la surface supérieure de la couche de KTFR — le fluor ionisé commence à attaquer la surface de l'oxyde et à creuser la silice. Les bobines HF de l'appareil â décharge luminescente peuvent être remplacées par des plaques de condensateur cylindrique, qui 30 reçoivent d'un générateur HF, ayant par exemple une puissance de 45 kVA à 400 kHz, un signal haute tension pour établir la décharge luminescente. L'utilisation de plaques capacitives paraît permettre d'avoir un meilleur contrôle de la température de la surface à attaquer. Si l'on utilise du tétrafluorure de carbone comme atmosphère et agent d'attaque dans l'appareil, 35 on peut utiliser de l'azote comme gaz porteur ce qui, en fait, procure un meilleur coefficient de gravure. On a constaté que l'attaque gazeuse peut avoir lieu avec des rendements convenables à la température ordinaire, c'est-à-dire à 20*C, ce qui permet de mieux commander et de faciliter le fonctionnement du procédé. Pendant l'attaque gazeuse ou à sec, la température 40 du substrat peut être augmentée jusqu'à 150#C ce qui, en même temps, augmente 72 09314 4 2130352 le rendement de l'attaque. Cependant, au-dessus de 150*C, le revêtement de KTFR a tendance à être affecté défavorablement par l'attaque et à des températures plus élevées on devrait utiliser un autre masque. Le masque ou trame de KTFR, qui présente un taux d'attaque au gaz 5 d'environ 100 X par minute, peut tout à fait être utilisé comme masque primaire pour des gravures gazeuses de silicium, de bioxyde de silicium et de nitrure de silicium. L'épaisseur du masque de KTFR peut être au moins deux fois plus grande que celle de la couche à attaquer si l'on désire que seule la partie exposée de la couche soit décapée. Très souvent, on se satisfait 10 tout à fait d'une couche de KTFR mince de manière qu'elle soit enlevée avant la fin de l'attaque gazeuse des parties exposées de la couche à graver et le gaz peut continuer son attaque sans effet défavorable sur la définition de la trame. L'attaque gazeuse continue jusqu'à ce que la surface du substrat 15 de silicium soit exposée. Puis, en utilisant des techniques de diffusion classiques, des impuretés de type N, par exemple du phosphore, peuvent être diffusées à travers la surface de silicium exposée dans le substrat pour y former une jonction PN. Pour terminer le dispositif, on peut alors fixer des contacts ohmiques, par exemple en aluminium, au substrat de type P 20 et à la région de l'impureté N, d'une manière classique bien connue. On va maintenant se référer aux figures 1 à 8 pour décrire comment un transistor à effet de champ MIS (Métal Isolant Semi-conducteur) est formé en utilisant les techniques avantageuses d'attaque sèche ou en atmosphère gazeuse. 25 Le substrat 1 de la figure I peut, dans cet exemple, être du type de conductivité N, avoir une résistivité d'environ quatre ohms par centimètre, avoir une épaisseur de 0,25 à 0,30 nm et faire partie d'une tranche circulaire de 3,5 cm environ et d'orientation cristalline 111. Une couche isolante de champ 2 est formée sur le substrat comme l'indique la figure 1. La couche 2 30 peut être une couche de SiO^ qu'on a fait croître à chaud sur la surface du substrat 1 dans une atmosphère de vapeur d'eau à environ 1100°C jusqu'à ce que l'on ait une couche d'environ 2000 X. La couche 3 peut être une couche de nitrure de silicium qui est déposée sur la couche 2, en utilisant les techniques classiques de décharge luminescente sans électrode à environ 400°C 35 jusqu'à former une couche d'environ 3000 %, par exemple. La figure 2 représente un masque convenable 4 formé sur la couche 3 de nitrure. Le masque expose une partie de surface 5 de la couche de nitrure, à travers laquelle aura lieu l'attaque gazeuse. La trame du masque et la fenêtre 5 peuvent être réalisées en utilisant des techniques classiques et 40 bien connues de photolithographie et en employant des produits photorésistants, 72 09314 5 2130352 tels que le KTFR, dans lesquelles le masque 4 est en fait une couche de KTFR développé et durci. Alors, en utilisant les mêmes techniques d'attaque gazeuse que celles décrites ci-dessus pour creuser un trou dans une couche de SiC^, on grave le nitrure de silicium exposé et le SiO^ sous-jacent 5 jusqu'à faire apparaître la partie 6 de la surface du substrat 1. A noter que l'attaque a lieu verticalement et qu'il n'y a pas d'affouillement du masque 4 comme on l'aurait avec des agents d'attaque humides. On notera aussi que le masque de KTFR est également soumis à l'attaque par le gaz pendant la gravure et que, si le masque n'est pas assez fin pour être complètement 10 enlevé pendant l'attaque des couches 2 et 3, il reste une mince couche de masque 4' comme sur la figure 3. La couche de KTFR 4' peut être enlevée en utilisant un décapant classique Kodak J-100 ou par attaque en atmosphère gazeuse à la température ordinaire en établissant une décharge luminescente au voisinage de la couche 4' en atmosphère d'oxygène. A noter l'avantage 15 supplémentaire de la technique d'attaque en atmosphère gazeuse qui permet de graver un trou à travers la couche de nitrure de silicium et la couche de SiO^ en une seule opération. Si on avait utilisé une technique d'attaque en milieu humide comme celle décrite dans la demande de brevet français n° 72 00708, déposée 20 le 11 Janvier 1972, au nom de la Demanderesse, pour : "Méthode de fabrication d'un transistor à effet de champ à grille isolée", il aurait fallu déposer une couche de Silox sur la couche de nitrure 3, puis former une couche de KTFR pour masquer la couche de Silox ; ensuite on aurait dû utiliser de l'acide fluorhydrique dilué pour graver un trou dans la couche de Silox, 25 puis de l'acide phosphorique chaud pour attaquer la couche de nitrure de silicium et enfin utiliser encore de l'acide fluorhydrique dilué pour graver le trou à travers la couche sous-jacente de SiO^. On voit donc clairement qu'avec la technique d'attaque par gaz, le dépôt d'une couche supplémentaire de Silox n'est plus nécessaire et que les trois phases d'attaque en milieu 30 humide sont remplacées par une seule phase en milieu sec. Maintenant, comme le représente la figure 4, on fait croître thermiquement une couche 7 de bioxyde de silicium sec en atmosphère d'oxygène sec, dans la surface exposée 6 du substrat de silicium. Cette couche qui représente l'oxyde de la grille peut être formée à 1150°C jusqu'à ce 35 qu'elle atteigne une épaisseur d'environ 1000 X. Comme l'indique encore la figure 4, une couche 8 de silicium polycristallin peut être déposée en utilisant des techniques telles que le dépôt pyrolitique à une température d'environ 680°C, à partir d'une atmosphère contenant 2% de silane dans de l'azote et un gaz porteur tel que l'hydrogène. La couche 8 de silicium 40 polycristallin est déposée sur la couche d'oxyde 7 et la couche de nitrure 3 72 09314 6 2130352 jusqu'à ce qu'elle atteigne une épaisseur d'environ 5 à 8000 X. Ensuite, en utilisant encore les techniques classiques de photolithographie décrites précédemment, on peut former un masque 9 de KTFR développé sur une partie de la couche polycristalline 8 au-dessus de l'oxyde 5 de grille 7, comme le représente la figure 5, pour exposer les parties de la couche 8 de silicium polycristallin et de la couche d'oxyde sous-jacent 7, qui sont à enlever pour définir' les endroits où on va former les régions de drain et de source. En utilisant encore les techniques d'attaque en milieu gazeux que l'on a décrites ci-dessus, on enlève toutes les surfaces de 7 et 10 8 exposées de manière à faire apparaître les surfaces 10 et 11 du substrat 1. Le masque restant de KTFR peut encore être décapé en utilisant les techniques déjà décrites. On notera encore que les parties non désirées de la couche 8 de silicium polycristallin et de la couche d'oxyde de grille 7 sont enlevées en une seule phase en utilisant l'attaque gazeuse et un masque de KTFR, 15 sans avoir besoin de prévoir d'autres masques, tels qu'un masque en Silox et plusieurs agents d'attaque en milieu humide pour enlever chaque couche. Comme le représente maintenant la figure 6, on forme une région 12 de source et une région 13 de drain dans le substrat 1 en diffusant par des techniques classiques, une impureté de type P, telle que du bore, 20 dans les surfaces exposées 10 et 11. Dans cet exemple, si l'on doit former un dispositif d'amplification à bas niveau et canal P, il faut diffuser simultanément le bore dans la partie restante 14 de la couche de silicium polycristallin, cette partie 14 représentant la grille de silicium polycristallin. 25 Ensuite, des contacts ohmiques sont fixés à la région de source 12, à la région de drain 13 et à la grille de silicium polycristallin 14. Cela est réalisé en déposant une couche 15 de bioxyde de silicium, tel que du Silox, d'une épaisseur d'environ 5000 X sur toute la surface, comme le représente la figure 7. Puis, en utilisant les mêmes techniques de 30 photolithographie que celles déjà décrites, on forme un masque 16 de KTFR développé sur la couche 15 de manière à exposer les surfaces recouvrant la source, le drain et la grille qui doivent recevoir des contacts ohmiques, par exemple en aluminium. En utilisant encore les techniques d'attaque gazeuse décrites précédemment, on forme des trous dans les surfaces exposées 35 de la couche 15 de Silox. Alors, conme l'indique la figure 8, on fixe des contacts ohmiques 17, 18 et 19 d'un matériau convenable, par exemple de l'aluminium, aux régions de source, de drain et de grille en utilisant des techniques classiques. On voit donc qu'en utilisant des techniques d'attaque à sec ou 40 en milieu gazeux pour fabriquer un dispositif semi-conducteur, tel que le 72 09314 7 2130352 dispositif MIS décrit ci-dessus, on n'obtient pas seulement un dispositif ayant des caractéristiques électriques améliorées en raison de l'élimination des affouillements, qui sont causés par les agents d'attaque classiques en milieu humide, mais le procédé lui-même est au total grandement simplifié 5 et certaines phases, qui étaient nécessaires avec des agents d'attaque en milieu humide, peuvent en fait être complètement éliminées. De plus, l'élimination des agents humides évite aussi une autre source de contamination qui peut être dangereuse pour le dispositif achevé. Bien que les dispositifs ci-dessus aient été décrits en donnant des valeurs particulières de résistivités, 10 de conductivités et d'épaisseurs des couches ainsi que des séquences déterminées de phases de fabrication, il est clair que de nombreux changements peuvent être faits et que différents autres dispositifs peuvent être fabriqués en utilisant les techniques d'attaque en atmosphère gazeuse décrites ci-dessus. Il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée 15 qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention.