Brevet FR2112348A1 — publié le 19720616

La présente invention se rapporte généralement à des dispositifs semicondic teurs ayant un diélectrique et notamment un isolant de porte en oxyde d'aluminium ou alumine; plus particulièrement, elle concerne et à essentiellement pour 5 " objet un procédé de fabrication d'un tel dispositif semiconducteur et, à titre de produits industriels nouveaux, les articles ou dispositifs ainsi obtenus par l'exécution dudit procédé, ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes, ensembles, 10 appareils, équipements et installations pourvus de tels dispositifs. Des dispositifs semiconducteurs, tels que des transistors unipolaires du type maintenant communément connu soœle nom de transistors "MOS" (semiconducteur à métal-oxyde), ont des régions diffusées de source et de drain espacées l'une de 15 l'autre au voisinage d'une surface d'un morceau de semiconducteur formant plaquette ou pastille de semiconducteur. Ils ont également une électrode de porte comprenant une couche d'un oxyde isolant sur la surface du corps semiconducteur entre les régions de source et de drain et une couche métallique formant 20 électrode disposée sur la couche d'oxyde. La couche métallique formant électrode, la couche d'oxyde et le corps semiconducteur fonctionnent comme un condensateur. Dans un transistor du type dit "à enrichissement", la tension électrique, appliquée aux bornes de ce condensateur, attire des charges de signe opposé à 25 celles existant sur l'électrode métallique, jusqu'à l'interface ou la surface de séparation entre oxyde et semiconducteur et, en raison du type de conductivité pré-arrangé du corps, accroît la conductivité d'une couche mince adjacente à la surface du corps. La conductivité accrue augmente également l'aptitude 30 ou la capacité de transport de courant électrique de la couche superficielle mince. Ainsi, l'intensité du courant électrique entre la source et le drain peut être modulée par une tension électrique variable appliquée à l'électrode de porte. Un autre type de transistor unipolaire, connu sous le nom de type "à 35 dépletion", utilise la répulsion de charges hors de la couche superficielle par une charge identique sur l'électrode de porte pour moduler le courant électrique. 71 23300 2 2112348 La plupart des dispositifs MOS formant semiconducteur à métal-oxyde utilisent du dioxydè de silicium ou de la silice comme isolant de l'électrode de porte. Bien que le dioxyde de silicium ou la silice se soit avéré être satisfaisant dans 5 beaucoup d'applications du dispositif , il présente certains inconvénients qui ont amené des ingénieurs de recherche dans le domaine des semiconducteurs à rechercher une matière plus satisfaisante. L'une des matières isolantes s'avérant prometteuse est. l'alumine Certains des avantages,que possèdent des ï-O films ou pellicules d'.alumine Al^O^ sur des films ou pellicules en silice SiO^ ,sont une résistance plus grande aux radiations ou rayonnements, une plus grande imperméabilité à la diffusion . d'impuretés et une constante diélectrique plus élevée. On a aussi constaté cependant que des couches isolantes 15 25 Dans un effort pour améliorer les couches diélectriques de porte en alumine AlgO^, elles ont été antérieurement soumises à des traitements à l'oxygène sec. Ceci réduit les effets d'hystérésis mais ne remédie pas aux autres défauts mentionnés, l'invention sera mieux comprise et d'autres buts, 30 caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels : 35 - la figure 1 représente une vue de dessus en plan d'un transistor MOS ou formant semiconducteur à oxyde métallique conforme à la présente invention; i r COPY 71 23300 y 2112348 - la figure 2 est une vue en coupe transversale effectuée le long de la ligne II-II de la figure 1 ; - la figure 3 représente graphiquement une famille de courbes caractéristiques montrant la variation de l'intensité 5 du couranVélectrique de drain en fonction de la tension électrique de drain à diverses tensions électriques de porte pour le transistor des figures 1 et 2; et - la figure 4 représente graphiquement une famille de' courbes caractéristiques montrant la variation de l'intensité "iO du courant électrique de drain en fonction de la tension électrique de porte pour le transistor des figures 1, 2 et 3- -RTRMPLE le procédé de la présente invention peut être employé pour fabriquer des dispositifs semiconducteurs perfectionnés 15 tels que des transistors MOS ou formant semiconducteurs à oxyde métaHique de toute configuration géométrique classique qui comprend une porte isolée pour contrôler ou régler le courant-électrique entre la source et le drain. Un tel transistor, tel que représenté sur les figures 1 et 2, comprend un corps de 20 silicium 2 de type P, une région diffusée de source 4 de type ÎT+ ayant une forme annulaire et une région diffusée de drain 6 du type M+ ayant une forme de "tache" ou de point, disposée à l'intérieur de la région circulaire de source, le transistor comprend également une région de canal ou de voie 8 de forme 25 annulaire, disposée entre la source 4 et le drain 6. Le transistor comprend en outre une couche isolante protectrice 10 contenant des orifices pour effectuer la connexion avec les régions de source et de drain. Dans l'une de ces ouvertures se trouve une électrode d'aluminium 12 d'une 30 forme généralement annulaire mais ayant un segment manquant. Une autre ouverture contient une électrode de contact en aluminium 14 pour contact avec la région de drain. Une portion 16 de la couche isolante 10 par-dessus la région de canal 8 constitue la partie diélectrique de l'électrode de porte r5 pour contrôler ou régler l'écoulement de courant électrique entre la région de source 4 et la région de drain 6. Par-dessus la couche diélectrique de porte 16 se trouve une électrode de porte COPY 71 23300 4 2112348 18 en aluminium. Comme exemples de ' dimensions qui peuvent être utiliséésy&ans un transistor expérimental, le diamètre- extérieur de la région de source 4 était de 900 microns. Le diamètre de la région de 5 drain 6 était de 400 microns. La largeur de la région de canal 8 était de 10 microns. La profondeur de diffusion des régions de source et de drain était d'environ 1 micron. L'épaisseur de 0 ■ la métallisation en aluminium était de 5000 A et l'épaisseur de o la couche isolante 10 était de 1000 A. 10 .Un exemple de fabrication d'un transistor, comprenant le procédé de l'invention, est le suivant. En commençant avec le corps de silicium 2 de type P ayant les régions diffusées de source 4 et de drain 6 de type N+,. une couche d'alumine amorphe A^O^ est déposée par-dessus la surface supérieure entière du 15 corps 2 par un procédé chimique de déposition de vapeurs. On fait barboter un gaz inerte chauffé, tel que l'hélium ou l'azote, à travers de 1'isopropoxyde d'aluminium liquide Al (OC^H^)^ maintenu à une température de 120° à 14Q°C. L'hélium est préféré car des qualités ou nuances commerciales 20 de pureté adéquate ou suffisante sont plus faciles à obtenir. Une description de l'appareillage approprié pour exécuter la • déposition d'oxyde d'a-luminium peut être trouvée dans un article publié dans la revue périodique "Journal of the Electrochemical Society" (revue de la Société Electrochimique américaine) 25 volume 116, page 234, de 1969- L'appareil est un réacteur vertical dans lequel 1'isopropoxyde d'aluminium est disposé dans un récipient ou réservoir à l'extrémité supérieure de la colonne. L'hélium gazeux, transportant la vapeur d'isopor- . poxyde d'aluminium, descend à travers la colonne. Au fur et à 30 . mesure %u'il descend, il est mélangé avec un gaz vecteur ou transporteur tel que l'azote ou un mélange d'azote et d'oxygène qui est fourni à un débit suffisant pour balayer la vapeur pardessus le suscepteur suffisamment vite pour empêcher la formation de courants de convexion indésirables au voisinage de la 35 surface du substrat de silicium. 71 23300 5 2112348 Le substrat de silicium est de préférence chauffé par induction à haute fréquence jusqu'à une température de 450°C. Celle-ci peut varier d'environ 400° à 500°C et davantage. Quand les vapeurs d'isopropoxyde d'aluminium viennent en contact avec 5 le substrat chaud, elles sont pyrolysées et l'alumine A120^ est déposée. Comme 1'isopropoxyde d'aluminium commercial contient du carbone comme constituant, l'oxygène est de préférence inclus dans le gaz transporteur ou vecteur pour oxyder le carbone pour le transformer en dixoyde de carbone ou anhydride 10 carbonique gazeux. Si ceci n'est pas effectué, il y a risque qu'.une certaine quantité de carbone se dépose sur le substrat de silicium. Comme cela a été mentionné précédemment, l'épaisseur du film d'oxyde d'aluminium est habituellement o contrôlée ou réglée à environ 1000 A. 15 Après l'enlèvement du substrat de silicium revêtu de la chambre de déposition, une configuration d'une résine photorésistante appelée "photoresist" est déposée sur la couche d'alumine AlgO^ par des procédés classiques de photomasquage et de développement. Des ouvertures sont laissées dans la couche 20 de photoresist où des contacts métalliques doivent être réalisés avec la région de source 4 et avec la région de drain 6. L'alumine A1„0„ est ensuite éliminée des zones non 2 3 recouvertes par la substance photoresist par attaque ou gravure chimique dans de l'acide phosphorique à 85$ (en poids) 25 à 65°C pendant environ 6 minutes. L'ensemble est ensuite plongé ou trempé dans de l'acide fluorhydrique dilué pendant quelques secondes pour éliminer les dernières traces d'oxyde des zones de contact. La substance dite photoresist est ensuite éliminée du restant de la couche d'alumine Al^O^. 30 L'ensemble est ensuite replacé dans la chambre de déposition sur le suscepteur et chauffé par induction à haute fréquence jusqu'à environ 800°C. Entre temps,on fait barboter de l'oxygène (ou un autre gaz de préférence non réducteur) à travers de l'eau distillée et on fait balayer la vapeur d'eau par-dessus la 35 couche d'oxyde d'aluminium chauffée pendant environ 30 minutes. Ce traitement modifie les propriétés de la couche d'alumine A120j de façon que, quanc^elle est utilisée comme couche diélectrique 71 23300 6 2112348 êl'tESBe électrode de porte d'un transistor MOS ou formant semiconducteur à métal-oxyde, certaines des caractéristiques du dispositif sont améliorées d'une façon marquée comme cela sera expliqué plus loin. 5 Après le traitement thermique dans une atmosphère gazeuse humide comme cela a été décrit ci-dessus, l'ensemble est replongé ou de nouveau trempé dans de l'acide fluorhydrique dilué pour éliminer un film ou une pellicule très mince de silice SiOg qui se forme sur les zones de contact exposées 10 du silicium en tant que résultat du traitement à la chaleur. Ensuite, l'ensemble est placé dans une chambre d'évaporation sous vide et une couche d'aluminium est évaporée par-dessus la surface entière de l'ensemble qui comporte la couche d'alumine AlgO^. Par des techniques classiques de photomasquage et de 15 développement, l'aluminium est éliminé partout à l'éxception des contacts 12 et 14 des électrodes respectivement de source et de drain et du contact 18 de l'électrode de porte (figures 1 et 2). la substance dite photoresist restante est ensuite éliminée en laissant subsister la structure représentée sur les figures 20 1 et 2. Ensuite, l'ensemble est chauffé dans un gaz inerte à environ 500°C pour allier l'aluminium au silicium et rendre les contacts de source et de drain plus ohmiques. Des caractéristiques d'un transistor, réalisé, comme 25 cela a été décrit ci-dessus, sont illustrées par les figures 3 et 4. Ces figures représentent l'un des perfectionnements dans des transistors de la présente invention, comparé avec des transistors de la technique antérieure ayant des couches diélectriques en alumine A^O^ d'électrode de porte, la figure 30 3 représente une famille de courbes de l'intensité 1^ du courant électrique de drain tracées ei/fonction de la tension électrique de drain pour diverses valeurs de la tension électrique de porte augmentées par échelons ou degrés de 1 Y. Ces données indiquant que les transistors, ayant des . 35 caractéristiques électriques désirables, peuvent être réalisé, par le procédé perfectionné, l'intensité du courant électrique de drain augmente brusquement ou de façon abruptè mais d'une 71 23300 7 2112348 manière régulière au fur et à mesure que la tension électrique de porte est accrue. Plusieurs transistors, réalisés comme cela a été décrit ci-dessus, avaient une transconductance d'environ 10 000 5 microsLeJiiens à une intensité de courant électrique de source à drain de 25 mA pour une tension électrique de porte appliquée de 6,5 V. L'épaisseur de la couche d'alumine A1„0^ était de O y 1000 A. Les transistors avaient une mobilité calculée d'effet 2 de champ d'environ 220 cm /V/s. 10 La figure 4 représente un t racé de l'intensité 1^ du courant électrique de drain en fonction de la tension électrique de porte pour diverses valeurs de la tension électrique de drain et représente la tension électrique de ^ seuil inhabituellement. "basse de transistors de la présente 15 invention. Cette figure montre qu'un courant électrique de drain mesurable s'écoule même à une tension électrique de porte de 1 V. Des transistors de la technique antérieure^dans lesquels l'alumine Al20^ était déposée en pyrolysant de l'isopropoxyde d'aluminium mais sans aucun traitement thermique dans une 20 atmosphère gazeuse humide, avaient des tensions électriques de seuil d'environ 4 à 6 V. Un autre avantage des transistors réalisés par le procédé de la présente invention est constitué par des effets d'hystérésis diminués dans la couche diélectrique. Bien que 25 des couches d'alumine A120^, déposées par déposition chimique et traitées thermiquement dans de l'oxygène sec, ne présentent pas toujours des effets d'hystérésis, quand ceux-ci existent toujours, ils sont réduits ou éliminés par le traitement thermique gazeux humide de la présente invention. 30 Un autre avantage, qui est obtenu en utilisant le procédé de la présente invention, est que la conduction de courant électrique continu du diélectrique en alumine AlgO^ est diminuée. Bien que de l'oxygène ait été utilisé comme moyen vecteur ou 35 transporteur pour de la vapeur d'eau dans l'exemple donné de traitement thermique de la couche diélectrique de porte en alumine A120^, d'autres gaz, qui ne réagissent pas d'une manière nuisible 71 23300 8 2112348 avec l'alumine Al^Oj, peuvent aussi être utilisés. Des exemples de ceux-ci sont constitués par l'un quelconque des gaz inertes et par l'azote. Dans l'exemple décrit, l'alumine Âl^O^ était employée comme 5 revêtement protecteur de passivation sur la surface entière du dispositif. Cependant, sur les parties autres que le diélectrique de porte, d'autres matières isolantes, classiques dans cette technique, telles que la silice ou de dioxyde de silicium et le nitrure de silicium, peuvent aussi être utilisées. La couche 10 isolante peut également être plus épaisse là où des "bandes formant lignes de liaison adhérente doivent être déposées pour empêcher un court-circuit avec le substrat quand des connexions de fils métalliques conducteurs sont attachées. La température de traitement thermique dans l'atmosphère 15 gazeux humide peut être .comprise entre environ 700°C et environ 1200°C. On peut aussi-faire varier la durée de traitement d'environ 5 à 60 minutes. En faisant varier la température ou la durée de traitement (ou les deux), on peut aussi faire varier l'effet sur la tension électrique de seuil du transistor. 20 Ainsi peut être obtenue presque toute tension électrique de seuil comprise entre environ 1 Y et environ 6 Y. La couche d'oxyde d'aluminium peut être formée"par tout processus de déposition chimique de vapeur approprié. Des composés d'aluminium, autres que 1'isopropoxyde d'aluminium, 25 peuvent être pyrolysés pour déposer la couche d'oxyde d'aluminium. Un autre exemple est constitué par le chlorure d'aluminium AlCl^ qui est sublimé à une température d'environ 130°C, la vapeur est transportée ou entraînée dans un courant d'hydrogène pour pénétrer dans la chambre de réaction et mélangée 30 avec du dioxyde de carbone ou anhydride carbonique. A une température d'environ 850°C ou au-dessus, l'hydrogène et le dioxyde de carbone ou anhydride carbonique réagissent pour former de l'eau et du monoxyde de carbone et l'eau réagit avec le chlorure d'aluminium AlCl^ pour former de l'alumine 35 Al^O^ et de l'acide chlorhydrique gazeux H'Cl. D'autres composés de corps organiques et d'aluminium sont également appropriés. Un autre exemple d'un tel composé, qui a été 71 23300 9 2112348 employé, est de l'aluminium triméthyle. Quand de l'oxygène n'est pas déjà présent dans le composé, on doit le faire réagir avec une source d'oxygène afin de former l'alumine Al^O^. Bien que des réactions de procédés chimiques de déposition 5 de vapeur soient préférées pour former la couche d'alumine Al^O^, l'oxyde peut également être déposé par des méthodes physiques de déposition de vapeur, par exemple en pulvérisant de 1'oxyde d'aluminium ou en pulvérisant de 1'aluminium dans une atmosphère contenant de l'hydrogène ou en faisant arriver 10 un faiscéau électronique sur un. corps ou une masse d'alumine Al^O^ pour vaporiser l'oxyde et pour le forcer ensuite à se déposer sur un substrat de silicium. Si le substrat est chauffé, l'adhérence de l'oxyde est améliorée. la manière exacte, dont la couche diélectrique de 15 l'électrode de porte est modifiée par le traitement à la vapeur d'eau chauffée, n'est pas entièrement comprise. On croît cependant que la vapeur d'eau ou ses constituants diffusent à travers la couche d'oxyde d'aluminium et modifient 1' interface ou la surface de séparation entre le 20 silicium et l'oxyde d'aluminium d'une certaine manière. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi 25 que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 71 23300 10 2112348 -SETEHDICATIOBS- 1Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur du type comprenant un corps de silicium et une couche d'oxyde d'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste à former ladite couche en déposant de l'oxyde d'aluminium à partir de la phase 5 vapeur sur ledit corps de silicium et à chauffer la couche d'oxyde d'aluminium déposée à une température allant d'environ 700°C à 1200°C dans une atmosphère gazeuse humide pendant un temps suffisant pour réduire la tension électrique de seuil du dispositif jusqu'à une valeur désirée. 10 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde d'aluminium est déposé par pyrolyse d'un composé organique d'aluminium. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde d'aluminium est déposé par pyrolyse d'.isopropoxyde. 15 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 1'isopropoxyde d'aluminium est vaporisé en faisant barboter un gaz inerte à travers celui-ci tout en maintenant la température de celui-ci à environ 120° à 140°C et en pyrolysant ensuite la vapeur en la dirigeant contre une surface du corps de silicium 20 précité maintenu à une température d'environ 400° à 500°C. 5.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'atmosphère oxydante humide précitée comprend de l'oxygène et de la vapeur d'eau. 6.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 25 l'atmosphère oxydante humide précitée comprend un.gaz inerte et de la vapeur d'eau. 7.- Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le chauffage précité est continué pendant environ 5 à 60 minutes. 8.- Procédé selon la revendication 1^ caractérisée en ce que 30 la couche précitée d'oxyde d'aluminium est chauffée dans un gaz humide à une. température d'environ 800°C. 9.- Produit semiconducteur, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé selon l'une des revendications précédentes. 10.- Semiconducteur selon la revendication 9, du type compre-35 Haut un corps de silicium, des régions respectivement de source 71 23300 2112348 et de drain à l'intérieur dudit corps et une électrode métallique de porte disposée sur une couche isolante de porte, caractérisé en ce que ladite couche d'isolant de porte est composée d'oxyde d'aluminium formé en déposant ledit oxyde d'aluminium à partir de la phase vapeur et en chauffant la couche en train de se déposer à une température d'environ 700°C à 1200°C dans une atmosphère gazeuse humide pendant environ 5 à 60 minutes.