Brevet FR2130094A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne des dispositifs de transistor semiconducteurs de type connu dans l'art comme transistors à effet de champ à porte isolée. Le corps d'un tel dispositif est formé d'un matériau semiconducteur et d'un canal de conduction de porteurs à l'intérieur du corps délimité à 5 une extrémité par une région de source et à l'autre extrémité par une région de drain. Une électrode de commande appelée dans l'art antérieur "électrode de porte" s'étend sur au moins une partie du canal de conduction et est séparée de lui par une région de matériau isolant. Des signaux ou des tensions, appliqués à l'électrode de porte, commandent par effet de champ la 10 conductance du canal. En outre, l'invention concerne une structure semicon- ductrice et un procédé de réalisation d'un dispositif semiconducteur à jonctions diffusées étroides par de l'arsenic qui présente des performances électriques particulièrement élevées et atteint des densités composants accrues dans des dispositifs transistors à effet de champ à porte isolée. 15 Le silicium est le matériau semiconducteur le plus fréquemment sinon exclusivement utilisé dans la fabrication des dispositifs semiconducteurs intégrés ou monolithiques. Le dispositif à transistor à effet de champ à porte isolée qu'on appelera par la suite IFGET, à canal n comprend un substrat dopé de type P, et deux zones de diffusion de type n+ constituant les élec-20 trodes de source et de drain respectivement, et une électrode de porte métallique isolée du substrat par une fine couche d'oxyde. Ces transistors sont largement utilisées dans les dispositifs intégrés ou monolithiques également en combinaison avec des dispositifs bipolaires. Le bore. Cou le phosphore] est presque exclusivement utilisé comme dopant de diffusion pour les régions 25 de source et de drain. Dans l'état actuel de la technique, pour fabriquer des dispositifs rapides et à densité de composants élevée, on tend vers des dispositifs à diffusion de plus en plus étroite par rapport à la surface de substrat de silicium, des largeurs de base plus étroites, et en conséquence des concentrations de surface plus élevées de phosphore ou de bore. 30 Une concentration de surface plus élevée des diffusions de phosphore entraînera la formation de dislocations et de précipitations. Ces conditions dégradent les caractéristiques électriques du dispositif. De même, avec ces diffusions plus étroites, l'effet d'extension Cpush out effect) "" de la jonction est plus prononcé et donc le résultat espéré concernant une 35 largeur de base plus étroite n'est pas obtenu. Puisque l'atome de phosphore est d'une taille inférieure à celle de l'atome de silicium, il se crée une certaine contrainte dans le réseau. Cette contrainte contribue aussi à réduire la performance du dispositif. Dans l'art antérieur on trouve des profils de distribution d'impureté 40 72 04236 2 2130094 larsenir) de type-n pratiquement carrés dans du silicium et des dispositifs semiconducteurs de silicium de type NPN à performances élevées représentant une diffusion peu profonde d'un émetteur en arsenic avec des exemples d'applications aux dispositi-fë semiconducteurs bipolaire 5 Un objet de l'invention est de proposer un dispositif transistor à effet de champ à porte isolée par diffusion d'arsenic capable de présenter une densité de composant élevé. Un autre objet est de commander la longueur du canal entre les zones de diffusion de source et de drain. 10 Un autre objet est de réaliser un dispositif transistor à effet de champ à porte isolée ayant une résistance de contact faible, une résistivité de feuille faible, et des fronts de diffusion planaires plans. Un autre objet de cette invention est de proposer un dispositif ayant des diffusions compatibles avec d'autres procédés de traitement et des 15 interconnexions avec d'autres dispositifs tels que dans des dispositifs bipolaires. Un autre objet de l'invention est de proposer des régions étroites de drain et de source diffusées à l'arsenic dans des structures de transistors à effet de champ à porte isolée. 20 D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence au dessin annexé à ce texte, qui représente un mode de réalisation préféré. La figure 1 représente une coupe d'une structure préférée d'un transistor à effet de champ à porte isolée de la présente invention. 25 La figure 2 est un graphique représentant une comparaison entre les proofils de diffusion du phosphore et de l'arsenic par rapport aux concentrations de surface, Cq et à la profondeur de diffusion, à des températures et à des moments différents. L'obtention d'une densité de composant élevée accroît de façon impor-30 tante la souplesse de conception des dispositifs de surface. Une longueur de canal plus faible rend ainsi possible plus de dispositifs par unité ce qui permet une souplesse supplémentaire dans la conception et dans l'utilisation du dispositif. Beaucoup de combinaisons de dispositifs sont possibles à travers les interconnexions par lignes diffusées. 35 Des essais pour réaliser des transistors à effet de champ à diffusion de phosphore ayant une profondeur de diffusion d'au moins un micron et une concentration de surface maximum donnent des dispositifs ayant des jonctions inégales et irrégulières qui créent des jonctions irrégulières qui entraînent à leur tour des court-circuits, des fuites qui rendant 40 le dispositif inutilisable. 72 04236 3 2130094 Il est bien connu qu'une diffusion de phosphore à concentration élevée introduit des défauts par précipitation et plar dislocation dans le silicium. La nature et la densité de ces défauts varient selon certains facteurs, 5 tels que la profondeur de jonction X^, la température de diffusion, les procédés de diffusion, etc... En plus des dislocations dans les diffusions avec des concentrations de phosphore élevées, de nombreuses précipitations sous la forme de tiges et de plaquettes sont introduites dans le dispositif et peuvent contribuer à la rupture de la jonction. Des transistors à effet de champ à porte isolée sont très utilisés dans les systèmes de réseau 10 de mémoire et par conséquent doivent présenter des fuites aux jonctions minimum. Des diffusions de phosphore peu profondes de l'ordre de 0,5 micron et moins qui sont soumises à des procédés de traitement ultérieur tels que les étapes de cuisson et d'oxydation deviennent essentiellement inopérantes à cause du traitement par la chaleur et un traitement ultérieur dB ces 15 dispositifs détruit le canal de source-drain. Les vitesses de diffusion du phosphore, particulièrement dans le silicium, sont si élevées qu'un traitement ultérieur par la chaleur de ces diffusions entraîne une diffusion latérale et donc la destruction des régions de drain et de source préalablement distinctes. 20 Ceci en définitif empêche de bon rendemant en production et affecte la qualité de la jonction. L'arsenic cependant, est bien connu pour bien s'adapter au silicium, en conséquence, il se produit beaucoup moins de dislocations dues aux contraintes du réseau. De très petites boucles de dislocations apparaissent pendant la diffusion pour des raisons autres 25 que des contrainte dans la cohésion du réseau. Ces boucles de dislocation peuvent être observées à travers un microscope à transmission électronique et semblent être du type Sessile, et sont la plupart du temps au deux tiers de la région diffusée, et à un tiers de la jonction. De telles dislocations ne peuvent pas se déplacer facilement pendant la diffusion ou pendant 30 d'autres étapes de traitement à température élevée. En conséquence, elles ne pénétrent pas dans la jonction de tous les côtés. La densité élevée des boucles de Sessile donne presque toujours un profil d'impureté carré à cause de leur capacité d'absorption d'impuretés. De tels profils d'impureté carrés avec des pentes très escarpées à la jonction peuvent être observés 35 sur la figure 2 qui donne le profil d'impureté électrique. On pourra voir que pour une valeur supérieure à environ 80% de la jonction diffusée à l'arsenic, la concentration d'arsenic tombe seulement d'un ordre de grandeur, 20 3 c'est-à-dire, de 2 x 10 atomes/cm à la surface Cx=D) jusqu'à environ 19 2 x 10 à X=26 microns ce qui représente plus de 80% de la profondeur 40 de la jonction mesurée. Le reste de la concentration diminue, à l'intérieur 72 04236 4 2130094 des 10 ou 20% restant de la profondeur vers la jonction, à partir de la 19 16 3 valeur de 2 x 10 jusqu'à 1,7 x 10 atomes/cm environ. Dans la même figure 2, différents exemples de jonctions profondes et étroites réalisées par diffusion de phosphore (procédé au P0C1 ou PH ) sont donnés à titre 5 de comparaison. En comparant la profondeur et la concentration de la jonction» on verra qu' à l'intérieur des 80% de la jonction diffusée au phosphore, la concentration de phosphore diminue de façon presque régulière d'environ 20 3 18 3 4 x 10 atomes/cm à environ 10 atomes/cm pour environ 80% de la profondeur de jonction mesurée, de c'est-à-dire, presque deux ordres de grandeur. Aucune 10 précipitation distincte sous forma de tige, etc... ne pourra être observée à travers le microscope électronique dans le cas de la diffusion d'arsenic, en conséquence, la qualité et la fiabilité de la jonction du corps sont considérablement améliorées par rapport à celles des dispositifs à diffusion de phosphore. Des tubes [pipes- ne sont pratiquement jamais observés dans 15 les dispositifs émetteurs à l'arsenic. Les diffusions d'arsenic dans une tranche de silicium sont habituellement réalisées dans le procédé en capsule connu. En se référant à la figure 1, le substrat 1 de silicium de type P de 1 ohm-cm avec un masquage approprié et adéquat, est soumis à une diffusion 20 bien connue utilisant une source d'arsenic à 1,55% pour donner une région de source C2) et une région de drain (33. Le cycle de diffusion consiste à chauffer à 1050°C pendant 65 minutes. Après diffusion la tranche de silicium est refroidie et nettoyée en deux étapes successives un rinçage à l'acétone puis dans de l'eau déionisée chacune pendant un cycle de 5 minutes et en 25 utilisant une agitation ultrasdnfcque. Les tranches sont alors oxydées selon un cycle classique de 970°C pour 15*-60'-5* pour donner un film d'oxyde (4). La porte est obtenue par croissance jusqu'à une épaisseur de 700A. Des dispositifs réalisés conformément au procédé ci-dessus maintiennent la stabilité de l'oxyde au glaçage. Un champ de rupture classique est de 6 30 l'ordre de 6 à 9.10 volt/cm. La résistance de contact R , des structures c réalisées par métallisation d'aluminium et cuisson à 400°C pendant dix minutes dans une atmosphère d'azote est de l'ordre de' 1 à 2 ohms. La résis-tivité Pg de la feuille est de l'ordre de 10-15 ohms/^. La rupture de la jonction et les tensions de seuil résultantes méritent l'appréciation 35 satisfaisant à très satisfaisant. La structure se caractérise par une profondeur de jonction X , de 0,5 micron et une résistivité de la feuille de □ ^ 10-15 ohms/ . Ces caractéristiques se trouvent à l'intérieur des paramètres nécessaires pour les interconnexions utilisables dans les lignes diffusées. Les diffusions connues de phosphore ne rencontrent pas ces exigences puisque 40 la quantité totale d'impureté à l'intérieur du profil de jonction Cc'est-à-à - •/' 72 04236 5 2130094 dire à l'intérieur du graphique représentant C^ en fonction de X^) pour le phosphore est limitée, ceci est dû principalement à 1'endommagement des structures tel que formation de dislocations et le phénomène de précipitation qui conduisent à une fuite indésirable de la jonction et peuvent en 5 outre augmenter et s'aggraver par des cycles de cuisson excessifs. La quantité totale d'impuretés nécessaires à l'intérieur des profils de diffusion de phosphore nécessite une profondeur de jonction plus importante de façon à obtenir une résistivité de feuille suffisamment basse. Ces profondeurs de jonction plus importantes conduisent à une diffusion latérale accrue 10 et par conséquent limitent la longueur du canal à une longueur minimum. La présente invention utilisant une diffusion d'arsenic conforme à la description ci-dessus élimine les inconvénients qui se produisaient dans les diffusions de phosphore de l'art antérieur parce que le profil de concentration d'impureté plus plan pour l'arsenic qui est représenté sur la figure 15 2, lui permet d'introduire une quantité plus importante d'impureté ou de dopant dans une jonction plus étroite, permettant donc la réalisation de résistivités de feuilles faibles et une résistance de contact également faible sans nécessiter des diffusions profondes. Ceci peut être réalisé sans un endommagement structural important en utilisant une source de diffusion 20 d'arsenic de concentration C [concentration de surface) élevée. o Les jonctions réalisées conformément à cette invention sont représentées avec des fronts plats et nets. Une profondeur de jonction de 0,5 micron pour 21 une concentration nominale Cq de 2.10 /cc est suffisante pour obtenir des résistances de contact et des résistivités de feuille faibles. Il est 25 important cependant, que la diffusion latérale soit réduite par rapport à celle pour l'obtention du phosphore. Pour une résistance de feuille identique, la profondeur de jonction diffusée d'arsenic conforme à cette invention, peut être la moitié de la profondeur d'une diffusion de phosphore. Ceci rend possible des densités de composant supérieures, tout en maintenant 30 des résistivités assez faibles pour empêcher l'accumulation de résistances en séries importantes due au nombre croissant de dispositifs par unité de surface. D'ailleurs, le profil d'arsenic, même avec sa concentration élevée C , rend possible des tensions de rupture de jonction élevées. O Des densités de transistors à effet de champ supérieures et des courants 35 de fuite de jonctions inférieurs sont maintenant possibles en utilisant des diffusions d'arsenic plus étroites de 10 et 80 microns de profondeur avec un A L de 1 micron comparé à la diffusion latérale de 2,8 microns pour le phosphore. La résistivité des feuilles pour les régions de drain et de source peu profonde d'arsenic est de 10-15 ohms par unité de surface comparée à la résistivité minimum de 15 ohms par unité de surface au minimum 72 04236 6 2130094 pour le phosphore pour des profondeurs de diffusion plus grandes et une concentration de surface maximum, C0- Il est important de réaliser que des diffusions d'arsenic peu profondes permettent de traiter les transistors à effet de champ à porte isolée en 5 association avec des dispositifs bipolaires. Des cycles de diffusion d'arsenic pour des bipolaires sont applicables et peuvent être utilisés dans la pratique de cette invention. L'utilisation d'une source d'arsenic de 1,55 atomes pour cent avec un cycle d'une durée d'une heure à 1050°C ou un cycle d'une durée de 120 minutes à 1000°C pour des diffusions dans des substrats de 10 silicium de type P est aussi applicable aux structures bipolaires à émetteur et donne des profondeurs de jonction de l'ordre de 0,5 micron et une résistivité de feuille de l'ordre de 10-15 ohms par unité de surface. Par conséquent, une diffusion unique d'arsenic conviendrait à la fois pour les dispositifs bipolaires et les transistors à effet de champ et présenterait l'avantage 15 supplémentaire que les étapes de traitement ultérieures affecteront au minimum les profondeurs de jonction et les dimensions latérales. Cet avantage est dO à la stabilité relativement grande des impuretés d'arsenic sous des températures élevées. Les diffusions d'arsenic dans du silicium sont substantiellement plus lentes que les diffusions de phosphore ce qui permet un contrôle de diffusion meilleur et la réalisation de diffusions étroite à une profondeur en dehors des limites obtenues pour une diffusion similaire avec du phosphore. Des données représentatives d'un transistor typique à effet de champ à porte isolée dans lequel on a pratiqué une diffusion étroite d'arsenic *7 R -3 " de concentration C élevée avec une longueur de canal nominal de 6 10 mm 3 0 et une porte nominale de 500Â sont les suivants : -4 Longueur de canal effective, L0^ 2.10 mm Pronfondeur de la jonction, X 50micDons 21 3 Concentration de la surface, C 1-1,5 10 cm o 30 Résistivité de feuille, Pg 13-15 ohms par unité de surface Résistance de contact R 5-20 ohms c Rupture de la jonction 18-20 volts Rupture (IL603) Domaine du nano-ampère (IL6SX) Domaine du nano-ampère Seuil (porte) Environ 0,5 volt Seuil (oxyde épais) 11-12 volts Les critères de conception de résistance de contact pour des structures de transistors à effet de champ à porte isolée de 50-100 ohms ne peuvent pas être atteints par des techniques de diffusion de phosphore actuellement connues avec des jonctions de profondeur inférieure à 100 microns. Une 40 72 04236 7 2130094 diffusion d'arsenic conformément è cette invention permet de telles diffusions peu profondes et augmente substantiellement la densité des dispositifs. De même, les exigences de résistivité de seuil de 50 à 100 ohms/unité de surface ne peuvent pas être obtenues avec une diffusion de type phosphore 5 dans des jonctions de profondeur inférieure à 100 microns. Puisque un fonctionnement satisfaisant du transistor à effet de champ à porte isolée nécessite une résistance de contact et une résistivité de seuil suffisamment basse, l'utilisation de diffusions de phosphore ou d'une impureté comparable est limitée aux diffusions de profondeur de jonction 10 de l'ordre de 100 microns tandis que la présente invention permet des profondeurs de diffusion d'arsenic peu étroites inférieures à cette limite. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de 15 l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles, sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 72 04236 8 2130094 REVENDICATIONS 1. 2. Dispositif semiconducteur du genre transistor à effet de champ à porte isolée comportant une région de source et une région de drain caractérisé en ce que lesdites régions source et drain sont étroites et dopées à l'arsenic. 2.- Dispositif semiconducteur à transistor à effet de champ à porte isolée selon la revendication 1 dans lequel les régions source et drain ont des profondeurs de jonction comprises entre 13 et 53 microns. 3.- Dispositif semiconducteur à transistor à effet de champ à porte isolée ayant une région source et une région drain dans lequel le dopage à l'arsenic est formé par diffusion et que la résistivité de feuille est inférieure à 15 ohms/'"'. 4.- Dispositif semiconducteur à transistor à effet de chairp à porte isolée comportant une région de source et une région de drain caractérisé en ce que lesdites régions sont formées par diffusion d'arsenic avec des profondeurs de jonction conrpréses entre 13 et 80 microns avec une résistivité de feuille comprise entre 5 et 15 ohms/"'. 5.- Dispositif semiconducteur à transistor à effet de champ à porte isolée selon la revendication 4 dans lequel la longueur de canal effective est -3 -3 comprise entre 5 10 mm et 20 10 mm.