Brevet FR2110270A1 — publié le 19720602

La présente invention est relative à un procédé de façonnage de matières semi-conductrices pour la fabrication dé dispositifs à semi-conducteur. Dans la technique de fabrication de dispositifs à semi-5 conducteur,il se- présente de nombreuses applications dans lesquelles un façonnage précis de la matière semi-conductrice par enlèvement de matière est souhaitable. En particulier, dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs sous la forme de circuits intégrés du type dans lequel l'isolement entre les éléments fonc-10 tionnels d'un dispositif commun est obtenu par un système diélectrique, il a été proposé toute une série de techniques pour l'enlèvement précis de la matière, ^e type général de fabrication a été dénommé "procédé de fabrication EPIC", dont un exemple est décrit dans le brevet des ^tats-Unis d'Amérique n° 3*290.753* 15 les difficultés principales qui sont soulevées avec l'isolement par un diélectrique dans le procédé EPIC résident dans la nécessité d'un stade de façonnage mécanique de précision difficile et onéreux et dans le fait que les canaux gravés servant à l'isolement ont une profondeur, de l'ordre de plusieurs microns, telle 20 que l'utilisation de la surface disponible de la gaufrette ou rondelle s'avère médiocre. On connaît déjà un procédé de morsure ou gravure électrochimique permettant d'amincir une matière.semi-conductrice. Il a été proposé d'étendre ce procédé combinant l'implantation 25 d'ions à la morsure électrochimique, en sorte de fabriquer de minces rondelles de matière semi-conductrice contenant des régions de types de conductivité distincts . J--»implantation d'ions a été proposée, au lieu de la diffusion du fait de la susceptibilité des . zones de types de conductivité différents vis-à-vis de l'attaque 30 électrochimique. Conformément à la présente invention, on tire cependant avantage de cet effet de gravure ou morsure sélective en utilisant un système électrochimique avec des zones fortement dopées formées typiquement par diffusion à l'état solide pour per-35 mettre un façonnage précis de-la matière semi-conductrice. Ainsi, une technique est donc disponible pour procéder au stade d'enlèvement de matière initial d'un procédé EPIC de manière précise et quelle que soit l'orientation cristallographique. La présente invention réside donc dans un procédé de 40 façonnage d'un corps de matière semi-conductrice pour la fabrica- COPV 71 35955 2 2110270 tion de dispositifs semi-conducteurs, ce procédé consistant à former dans la surface d'une couche de conductivité de type n sur un substrat de conductivité élevée une grille de conductivité éleyée, à former une couche non conductrice sur la surface de cette grille, 5 à introduire le corps dans un bain de morsure électrochimique adéquat et à graver sélectivement le substrat, en sorte que l'on soumette à la morsure sélective également les parties de la couche n entre la grille et le substrat ainsi que les zones de la grille elle-même, en laissant de côté les parties restantes de la couche 10 n se situant à l'extérieur des régions de la grilleo En utilisant des procédures classiques mettant en oeuvre des réserves photosensibles et des masques d'oxydes, on.forme \ine zone d'aspect analogue à celle d'une grille de matière de conductivité élevée de type n ou p dans la surface d'une couche 15 de type n mince, typiquement par diffusion à l'état solide. Si une grille de type p est formée, il est important dans la mise en oeuvre de l'invention que certaines parties de conductivité élevée soient exposées sur les bords du semi-conducteur, en sorte de constituer un chemin de connexion au cours du processus de morsure 20 éleetrochimique. Les procédures de masquage classiques entraînent une certaine diffusion du bord de la rondelle ou gaufrette qui n'est pas masquée par une réserve photosensible. Dans une forme de réalisation spécifique permettant de constituer un dispositif à circuit intégré du type EPIC, compor-25 tant un isolement diélectrique, la surface diffusée de la couche de type n formant.la grille est ensuite revêtue d'un film d'une matière isolante appropriée, par exemple, du nitrure de silicium. Par-dessus la couche de nitrure de silicium on forme une couche de support mécanique, commodément en silicium polycristallin qui 30 peut être déposé par réaction. Le corps de silicium ainsi préparé est çnsuite immergé dans un bain électrochimique approprié comportant une électrode et une connexion avec le corps de silicium pendant une période de temps suffisante pour attaquer le substrat de conductivité élevée. 35 L'attaque ou morsure continue à travers la couche de type n dans l'alignement avec les zones formant la grille, qui sont également attaquées, produisant ainsi des blocs de matière de type n montés via le film de nitrure de silicium sur la pièce de support en silicium polycristallin. 71 35955 3 2110270 L'attaque chimique à travers la couche de type n dans l'alignement avec les zones formant la grille se produit même si la diffusion ne pénètre que légèrement dans la couche de type n. La technique permet donc un façonnage relativement précis de la 5 matière semi-conductrice silicique pour la formation de corps isolés sur une matière de support commune en tant que partie d'un procédé de type EPIC pour la fabrication de circuits intégrés, mais elle peut également être utilisée pour la séparation et le façonnage, selcn des dimensions précises, de la matière semi-conductrice 10 silicique. Par exemple, certains agencements semi-conducteurs photosensiblesde grandes dimensions utilisant des diodes diffusées de petites dimensions impliquent le raccordement d'une série dç rondelles diffusées sous la forme d'une mosaïque pour constituer 15 une structure de plus grande surface. Dans des dispositifs de ce type qui sont balayés par un faisceau, d'une manière précise, il est important que l'espacement d'une diode à l'autre soit extrêmement uniforme. Pour obtenir une telle uniformité entre les diodes sur différentes rondelles, mais s'appuyant l'une sur l'autre, la 20 dimension de l'espace entre la diode et le bord de la rondelle doit être absolument uniforme. ^ette uniformité peut être réalisée en utilisant la procédure de morsure électrochimique conforme à l'invention en diffusant des grilles de séparation en même temps que les photodiodes actives sont diffusées, fixant donc 25 ainsi l'uniformité dimensionnelle. Une caractéristique de la présente invention réside donc dans un outil de coupe chimique basé sur la formation de zones de conductivité élevée, zones de profondeur même limitée . La surface diffusée de la grille n'est pas exposée à l'électrolyte 10 pour produire la forme désirée. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante réalisée en se référant aux dessins ci-annexés dans lesquels : - les figures 1 à 7 illustrent les stades de traitement 35 principaux successifs selon une forme de réalisation de l'invention ; ces figures sont des vues en coupe transversale d'une partie d'une rondelle semi-conductrice et de couches de matières associées formées sur cette rondelle; en particulier, le procédé illustré représente une partie de la fabrication d'un circuit intégré 40 de type EPIC; et 71 35955 4 2110270 - la figure 8 est une vue en perspective montrant une rondelle de matière semi-conductrice après diffusion de zones pour la formation d'une grille. La présente invention est décrite en se référant à 5 deux formes de réalisation spécifiques, l'une se rapportant à un circuit intégré isolé par un système diélectrique et l'autre se rapportant à un agencement photosensible à jonctions pn espacées de manière précise. Comme mentionné précédemment, la matière de départ pour la fabrication d'un volume considérable de disposi-10 tifs semi-conducteurs est telle qu'illustrée dans la figure 1, qui montre une partie 10 d'une rondelle ou gaufrette de silicium monocristallin comprenant une très mince couche 12 de silicium >de conductivité de type n formée par dépôt epitaxial sur une couche de support 11 de silicium n+, c'est-à-dire de conductivité élevée. 15 Le silicium de conductivité élevée correspond typiquement à des 18 j 3 concentrations d'impuretés de 10 atomes/cnr ou davantage. En pratique, dans la fabrication typique de dispositifs, la couche épitaxiale de type n 12 peut avoir une épaisseur de 1 à 10 microns sur une couche de support 11 d'au moins plusieurs dizaines de mi-20 crons. Le stade suivant du processus de fabrication consiste à diffuser un schéma d'isolement de conductivité élevée, qui peut être de conductivité de type n-f ou p+ dans la surface de la couche épitaxiale n 12. Ce schéma, dans cette forme de réalisation spé-25 cifique, est constitué d'une simple grille à éléments rectilignes. Cependant, il est bien entendu que l'on pourrait utiliser toute une série de schémas différents selon les applications particulières. .La vue en coupe de la figure 2 illustre les zones n+- 13 formant grille et pénétrant partiellement à travers la couche 12. 30 Si l'on se réfère à la figure 8, on peut y voir une grille diffusée 31 illustrée par les parties point;.liées dans une rondelle 30 de matière semi-conductrice. Pour plus de clarté dans l'illustration, cette figure ne montre qu'une grille de 3 x 3 lignes. Manifestement, une densité bien plus grande est souhaitable dans la rondel-35 le ou gaufrette semi-conductrice de 2,54 à 5,08 cm de diamètre. La figure 8 montre que, conformément aux procédures de masquage habituelles, le bord 32 de la rondelle est soumis à la diffusion qui forme la grille 31« Dans le cas d'une grille de type p, cette couche diffusée marginale constitue un chemin électrique nécessaire 40 vers la grille dans le stade de morsure électrochimique décrit 71 35955 5 2110270 ultérieurement. Les zones de conductivité élevée 13 formant la grille ne doivent pas nécessairement être diffusées très profondément à l'intérieur de la couche de type n 12 pour que l'effet de morsure 5 désiré se fasse sentir. Etant donné que le processus de morsure est réalisé apparemment par une réaction électrochimique basée sur l'injection de porteurs dans la couche n 12, il est uniquement nécessaire de prévoir une profondeur légère de la partie de conductivité élevée peur constituer la source d'injection. Par exemple, 10 la diffusion des zones de conductivité n+ 13 de la grille sur une profondeur de 1,0 micron est suffisante pour permettre la morsure d'une couche de type n jusqu'à 10 microns d'épaisseur. Bien que cela ne soit pas illustré, il est bien entendx que de petites zones de type p peuvent être formées à l'intérieur 15 des zones de la couche de type n définie par les zones n+ de la grille. Il est important, naturellement, que ces zones diffusées aient une aire limitée et ne soient pas connectées à des parties de la zone n+ de la grille ou exposées sur les bords de la rondelle. 20 Ensuite, comme montré dans la figure 3» la couche de type n est recouverte d'un isolant 14, 1-e nitrure de silicium convenant tout particulièrement. Un tel film peut être déposé par .l'un quelconque des procédés réactifs bien connus et une épaisseur de plusieurs milLers d'artgstroems convient oïàr_dessus le film de nitru-25 re de silicium, une autre couche 15 de silicium polycristallin est déposée en phase vapeur pour constituer un support mécanique pour le corps semi-conducteur . Ensuite, le corps est immergé dans un bain électrochimique. En particulier, on peut utiliser comme électrolytesap-30 propriés pour un tel bain électrochimique des solutions d'hydroxy-de de lithium, d'hydroxyde de potassium et d'hydroxyde de sodium ainsi que des solutions d'acides fluorhydrique et chlorhydrique. La concentration de 1'électrolyte n'est pas critique. Une électrode, qui est inerte vis-à-vis de 1'électrolyte et çe réagit pas 35 avec celui-ci, est connectée au pôle négatif d'une source de courant continu et immergée dans le bain. Le substrat ri* du corps semi-conducteur est connecté au pôle positif de la source de courant continu et l'électrode et le corps semi-conducteur sont immergés dans le bain. En réglant la tension, une densité de cou-40 rant est établie qui suffit pour attaquer sélectivement la région 71 35955 6 2110270 11 du substrat n+. Une densité de courant typique se situe entre •n 40 et 100 milliampères/cm à 25°C, lorsque l'on attaque le silicium à l'aide d'un bain d'acide fluorhydrique à 5 % • Après enlèvement du substrat n* 11, la morsure progresse à travers les 5 parties 16 de la couche n 12 dans l'alignement avec les zones n+ 13 de la grille et se termine par l'élimination des zones 13 de conductivité n+, en laissant les parties 17 de la couche n 12. La structure obtenue est telle qu'illustrée dans la figure 4. Le corps comprend à présent un agencement de blocs de conductivité 10 de type n isolés 17 montés sur un élément de support commun constitué de la couche isolante 14 et de la couche de silicium polycristallin 15. La configuration et l'espacement des blocs 17 sont déterminés par l'agencement initial diffusé de manière précise des éléments de la grille de conductivité n+. 15 A partir de ce stade du processus et en partant de la structure illustrée dans la figure 5> on peut utiliser l'un quelconque des divers procédés de type EPIC pour fabriquer un circuit intégré présentant un isolement diélectrique entre les éléments. Dans une forme de réalisation spécifique illustrée dans la figu-20 re 5, les blocs de silicium séparés 17 sont soumis à une diffusion de type n pour former une peau n+ 18 en tant que partie de la fabrication du dispositif final» Cette diffusion n+ est suivie par un stade d'oxydation pour former un film 19 d'oxyde de silicium typiquement par un processus de conversion thermique 25 normalisé , ou également par une technique de dépôt. Ce film d'oxyde de silicium constitue une séparation isolante et est suivi, comme illustré dans la figure 6, par l'application d'une couche 20 de silicium polycristallin pour former la couche de support finale pour le circuit intégré. Ensuite, comme montré dans la 30 figure 7, la couche de support de silicium polycristallin 15 et le film de nitrure de silicium 14 sont éliminés de la surface supérieure du corps en utilisant des agents de morsure sélectifs tels que l'acide fluorhydrique pour le silicium et l'acide phosphorique chaud pour la couche de nitrure de silicium. Un masque approprié 35 est appliqué sur les autres parties de corps au cours de ces stades de morsure. Enfin, la structure représentée dans la figure 7, qui comporte un film d'oxyde de silicium 21 sur sa face supérieure, est prête pour un traitement supplémentaire, à savoir une diffusion sélective et un dépôt de schémas métallisés pour former le 40 circuit intégré. 71 35955 7 2110270 Dans une forme de réalisation spécifique différente mettant en oeuvre le phénomène de morsure remarquable conforme à la présente invention, un agencement photosensible ou un autre dispositif semi-conducteur de grandes dimensions est formé à partir 5 d'une série de pastilles ou rondelles montées en sorte de s'appuyer l'une sur l'autre. Des zones de type de conductivité p+ formant grille sont diffusées conjointement avec un agencement de petites dimensions, habituellement des zones de type p circulaires formant des diodes à jonctions pn dans la couche de type n. Com-1Q me la diffusion entière est réalisée en utilisant un masque unique, on peut réaliser le dimensionnement précis nécessaire entre les zones de la grille qui constitueront le bord de la pastille, et les périphéries des diodes à jonctions pn voisines» Par suite, après séparation par morsure électrochimique le long de la ligne 15 des zones de la grille p+, les pastilles individuelles peuvent être placées selon un agencement en mosaïque et la distance entre les rangées de diodes sur les pastilles voisines sera la même qu'entre les rangées de diodes d'une pastille particulière. Cette précision est possible en utilisant cette technique de morsure 20 lorsqu'une précision similaire ne peut être obtenue en utilisant un système de séparation mécanique ou de morsure chimique. Dans le cas de la morsure chimique, la coïncidence des masques sur les surfaces opposées empêche d'obtenir cette précision. En liaison avec le processus de morsure électrochimi-25 que décrit ci-dessus, on peut constater qu'il s'agit là d'une technique d'amincissement permettant de produire les couches semi-conductrices extrêmement minces désirables pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, en permettant simultanément de former un agencement de conformation précise de corps de silicium 30 isolés,solidement montés sur une pièce de support commune. Le processus a lieu quelle que soit l'orientation cristalline requise, par exemple, pour les techniques de morsure anisotropes qui sont limitées sensiblement à l'orientation ^"100_7 du silicium. De même, bien que la description ait été réalisée en se référant à 35 la formation de zones dopées mettant en oeuvre une diffusion à l'état solide, l'implantation d'ions peut également être utilisée. La technique de morsure électrochimique peut également s'appliquer à d'autres matières semi-conductrices. 71 35955 8 2110270 Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées' par l'homme de l'art au procédé que l'on vient de décrire uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 71 35955 9 2110270 REVENDICATIONS 1.- Procédé de façonnage d'un corps de matière semi-conductrice pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, ce procédé consistant à former dans la surface d'une couche de 5 conductivité n sur un substrat de conductivité élevée une zone formant grille de conductivité élevée, à former une couche non conductrice sur la surface de cette grille, à introduire le corps dans un bain de morsure électrochimique approprié et à attaquer sélectivement le substrat, ce procédé étant caractérisé en ce que 10 l'on attaque sélectivement également les parties de la couche de conductivité n entre les zones formant la grille et le substrat ainsi que la zone proprement dite, ne laissant que les parties restantes de la couche n situées à l'extérieur des régions de la zone formant la grille. 15 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parties restantes de la couche n constituent un agencement de blocs isolés. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on applique en outre une couche de matière de support sur une 20 couche diélectrique formée sur la surface diffusée sous la forme de la grille précitée. 4.- Procédé selon la revendication 3» caractérisé en ce qu'une couche de matière diélectrique est formée par-dessus l'agencement de blocs isolés et une autre couche de support est 25 formée par-dessus la couche diélectrique. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première couche diélectrique formée et la couche de support sont sélectivement éliminées.