Brevet FR2180540A1 — publié le 19731130

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs par implantation d'ions et les dispositifs fabriqués par ce procédé. Elle a aussi pour objet un procédé de passivation de dispositifs semi-conducteurs. Le procédé est plus particulièrement applicable dans des techniques de fabrication de dispositifs semi-conducteurs constitués par des circuits intégrés à caissons avec isolement par matériau diélectrique. Dans les techniques connues d'isolement de dispositifs semiconducteurs formés sur un meme substrat, on utilise des opérations de diffusion ou d'oxydation à haute température qui peuvent provoquer des déplacements indésirables des impuretés pendant le déroulement du processus de fabrication. Dans d'autres techniques connues telle que la technique msa, il est nécessaire de mettre en place des masques et d'effectuer des opérations chimiques ayant pour but d'obtenir par gravure des rehaussements du relief des dispositifs. Cette technique peut entratner des coupures des métallisations lors de l'utilisation des composants obtenus et, par suite, leur non-fonctionnement. Un autre procédé connu, dans ces techniques dtisolementde structures semi-conductrices, consiste à utiliser un bombardement de protons qui transforme certains semi-conducteurs en isolants dans les zones soumises à ce bombardement. On a pu obtenir, dans une épaisseur de l'ordre du micron, une concentration de porteurs, dans les zones bombardées d'un substrat d'arséniure de gallium, inférieure à 101l atomes par cm3 avec des protons ayant une énergie de 100 Kev. Un tel procédé constitue un progrès par rapport au procédé "mesa" mais présente l'inconvénient de ne pas doper le matériau, mais seulement dty créer des défauts, ce qui crée une instabilité de l'isolement obtenu en fonction de la température et du temps.Une telle couche peut, par exemple, subir sans dommage un recuit de 16 heures à #0O.C mais elle est dégradée par un recuit à 4oo#c et ses propriétés isolantes sont perdues de façon irréversible, les défauts d'irradiation coninençant à se résorber à cette température. La présente invention évite ces inconvénients. Elle est caractérisée par un dopage dans un matériau semi-collducteur par implantation d'ions qui rend semi-isolantes, c'est-à-dire de résistivités élevées, les zones soumises à cette înplantation. Dans de telles opérations, le bombardement ionique étant effectué à basse températurc et les températures de recuit étant faibles, les difficultés inhérentes aux diffusions à haute température sont supprimées. Dans le procédé de l'invention, le matériau semi-conducteur est rendu semi-isolant par implantations d'ions, les ions implantés sont choisis de nature telle que ces impuretés dans le matériau à traiter soient à niveau d'énergie profond.D'une façon générale, les niveaux d'énergie des ions implantés sont proches du milieu de la bande interdite du semi-conducteur. Par exemple, si le substrat d'origine est du germanium, l'impureté à niveau profond à utiliser sera des ions manganèse, fer, cobalt ou nickel. Si ce substrat est du silicium, l'impureté sera de ionsPde manganèse, et si le substrat est de l'arséniure de gallium, on utilisera des ions oxygène ou chromes La présente invention sera mieux comprise en se référant à la description qui va suivre et au dessin annexé dans lequel - la Fig. 1 représente un mode de réalisation selon l'invention d'une mosalque de diodes sur un substrat d'arséniure de gallium - la Fig. 2 représente un mode de réalisation selon l'invention d'une structure à caissons isolants - la Fig. 3 représente un autre mode de réalisation selon l'invention d'une structure à caissons isolants - la Fig. 4 représente un mode de réalisation selon l'invention d'un transistor à effet de champ. Sur la Fig. 1, un substrat 1 d'arséniure de gallium du type P a été traité par tout procédé connu de façon à comporter une couche épitaxiale 2 du type N sur une profondeur de 1,5 microns environ à partir de sa face supérieure. A l'aide d'un masque approprié, des contacts ohmiques 3.1 à 3.4 ont été déposés SOUS vide sur la couche épitaxiale. Cette structure est ensuite soumise à une implantation d'ions oxygène par sa face supérieure. Les contacts 3.1 à 3.4 ont une épaisseur suffisante pour jouer le rôle de masque vis-à-vis des ions oxygène. Cette implantation s'effectue de préférence en quatre phases successives. En effet, la distribution des ions implantés suit en général une loi de Gauss dans la largeur de la zone ##dtim- plantation.Pour réaliser un dopage uniforme dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat, il fau-t effectuer plusieurs implantations successives dont le choix des énergies et des doses est dicté par la loi d'addition des courbes de Gauss en vue d'obtenir une densité d'implantation constante. Ainsi, dans le cas de la Fig. 1, on effectuera quatre implantations successives à 7 Mev avec un flux de 800 microcoulombs par cm2 pendant 40 secondes, à 600 Kev avec un flux de 600 microcoulombs par cm2 pendant 30 secondes, à 370 Kev avec un flux de 40C microcoillombs par cm2 pendant 20 secondes et à 200 Kev avec un flux de 300 microcoulombs par cm2 pendant 15 secondes.Les zones d'implantatioes -+.0 à 404 ont alors une profondeur suffisante pour atteindre la zone P. Elles se comportent comr#'e des cloisons isolantes qui séparent deux diodes voisines telles que celles accessibles par les contacts 3.1 et 3.2. On obtient ainsi une mosaïque de diodes sur un substrat uniqueo Naturellement, les zones P et N pourraient entre inversées sans rien changer au procédé décrit. Sur la Fig. 2, un substrat 21 d'arséniure de gallium semi isolant, de résistivité de l'ordre de 108 ohm/cm, est recouvert par une technique connue d'une couche épitaxiale 22 du type N puis des contacts ohmiques tels que 23 sont déposés sous vide sur la couche épitaxiale. Ensuite des implantations d'ions oxygène sont effectuées qui vont créer des zones isolantes 2200 et 2201 (en hachures verticales) qui forment des caissons isolants autour du contact 23. Sur la Fig. 3, suivant une variante perfectionnée de la Figo 2, un substrat 30 en arséniure de gallium par exemple est soumis à une première implantation profonde à grande énergie, de l'ordre de 1,5 Mev, d'ions oxygène qui crée une couche isolante enterrée 31. Ensuite, des contacts ohmiques 33.1 à 33.4 sont déposés sur la face supérieure du substrat, eonme précédemment. Dans une phase suivante, une ou plusieurs implantations d'ions oxygène sont effectuées de la même façon que dans le cas de la Fig. 2 qui créent des cloisons isolantes 32*0 à 32.4 entre lesquelles se trouve des caissons isolés où sont mis en place par des procédés connus des dispositifs à semiconducteur tels que diodes ou transistors isolés les uns -des autres. Sur la Fig. 4, qui représente un mode de réalisation d'un transistor à effet de champ utilisable en hyperfréquence, une pla queute d'un matériau semi-isolant 41 de résistivité de l'ordre de 108 ohm/cm est recouverte d'une couche épitaxiale 42 de type N± Des contacts ohmiques de drain 44 et de source 46 sont ensuite déposés par évaporation sous vide sur la face supérieure de cette structure, en laissant au canal compris entre eux une largeur de 500 microns. Dans la phase suivante, des ions oxygène par exemple sont implantés dans la zone 43 avec une énergie de 200 Kev, ce qui donne une profondeur de 0,2 microns à la zone d'implantation, Enfin le contact de grille 45 est déposé sur la face supérieure par évaporation sous vide. Le procédé de l'inventiwi peut aussi êtrc utilisé pour effectuer une passivation de la surface d'une structure semi-conductrice. Selon l'invention, une implantatioil superficielle d'ions choisis parmi ceux indiqués ci-dessus est effectuée sur la face a' protéger. Cette implalltation effectuée avec une energie de 10 à 200 Kev supprime les courants de fuite entre des éléments actifs disposés sur le mtme support. Cette opération s'effectue en faisant passer les structures à protéger, qui ont généralement la forme de plaquettes devant l'appareil d'implantation pendant environ une minute. Les moyens mis en oeuvre dans le. procédé. de l'invention comporte tent un appareil d'implantation d'ions dont l'énergie maximale est de l'ordre d'un Mev. Les ions sont prélevés dans un gaz contenant l'ion à implanter, tel que C02 ou N02 pour les ions oxygène, et la structure dans laquelle est effectuée l'implantation peut autre par exemple une plEIquette constituée d'un substrat d'arséniure de Gallium de type N ayant une concentration d'atomes de l'ordre de i016 par cm3 soumis à un traiter..,ent épitaxial sur une épaisseur de l'ordre de 1,5 microns.Pendant l'implantation, la plaquette fait mi angle de 70 avec la normale au faisceau ionique pour éviter le phénomène de canalisation. Suivant un exemple caractéristique étudié, l'implantation est effectuée à la température ambiante en présente d'un masque délimitant une zone de 400 microns de largeur en 3 phases successives avec des énergies respectives de 1 Mev, 400 Kev et 200 Kev. La zone implantée reste isolante après un recuit à 800oC pendant 15 minutes, ce qui n'est pas le cas dans les procédés connus. Les mesures des résistances effectuées sur un matériau tel que celui de la Fig. 2 révèlent que - entre les 2 zones 220 et 221, avant implantation, la résistance est de 2000 SI, - après implantation, la résistance mesurée entre les zones 220 et 23 et 221 et 23 est de 5 à 50000 Mil. Le procédé selon l'invention crée donc un dopage par centres pro fonds dans le semi-conducteur où chaque ion compense un porteur alors que les procédés connue par bombardement de protons s'atta- client à créer des défauts par implantation protonique. L'avantage obtenu est que, lors des recuits à des températures allant jusqu'à gooec, l'isolement reste acquis alors que, dans les implantations à protons, il n'est créé que des défauts qui disparaissent lors d'une élévation de température des plaquettes. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'isolement d'éléments semi-conducteurs à partir d'une structure semi-conductrice comportant un substrat d'un premier type de conductibilité, une couche épitaxiale d'un deuxième type de conductibilité placée sur ce substrat et des contacts ohmiques déposés sur cette couche, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une implantation d'ions à travers la surface de la structure portant lesdits contacts effectuée avec une énergie et pendant une durée déterminées de façon à engendrer des zones isolantes dont la profondeur est supérieure à celle de la couche épitaxiale. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat est en germanium et les ions implantés des ions manganèse, fer, cobalt ou nickel. 3 - Procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que le substrat est en silicium, les ions implantés étant des ions manganèse. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat est en arséniure de gallium, les ions implantés étant des ions oxygène ou chrome. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'implantation s'effectue en plusieurs phases successives avec des énergies et des flux ioniques différents pour chaque phase de façon à obtenir un dopage d'ions uniforme dans les zones implantées et dans une direction perpendiculaire à la surface du substrat. 6 - Procédé d'isolement d'éléments semi-conducteurs à partir d'un substrat semi-conducteur en arséniure de gallium caractérisé en ce qutil comprend successivement une opération d#implantationprofon de d'ions oxygène créant une couche isolante enterrée, le dépôt de contacts ohmiques sur une grande face du substrat puis une deuxième opération d'implantation d'ions oxygène à partir de ladite grande face qui crée des cloisons isolantes entre lesdits éléments semiconducteurs. 7 - Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ à partir d'un matériau semi-isolant recouvert d'une couche épitaxiale du type N+ caractérisé en ce qu'il comporte la mise en place de contacts ohmiques de drain et de source sur ladite couche, une opération d'implantation d'ions oxygène dans le canal compris entre ces deux contacts, puis la mise en place d'un contact de grille entre lesdits contacts dans la zone d'implantation. 8 - Structure semi-conductrice comprenant un substrat d'un premier type de conductibilité, une couche épitaxiale d'un deuxième type de conductibilité placée sur ce substrat et des contacts ohmiques déposés sur ladite couche, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des zones isolantes partant de la surface de ladite couche épitaxiale, dont la profondeur est supérieure à celle de cette couche, obtentespar implantation d'ions0 9 - Procédé de passivation de structures semi-conductrices caractérisé en ce qu'il comporte au moins une opération d'implantation superficielle d'ions sur la face à protéger sous une énergie comprise entre 10 et 200 Kev, et pendant une durée comprise entre 30 secondes et 5 minutes.