Brevet FR2260187A1 — publié le 19750829

La présente invention concerne un procédé de masquage pour la création de sones semiconductrices fortement dopées engendrées par implantation ionique. On sait que l'implantation ionique permet d'obtenir des régions dopées ayant des caractéristiques différentes et souvent beaucoup plus avantageuses que celles des régions obtenues par diffusion. Ces régions implantées sont obtenues en protégeant le reste de la surface active à travers laquelle est effectuée 11 implantation par un masque d'une substance opaque aux ions dans laquelle une plage est libre. Il est d'usage de réaliser ce masque en un matériau minéral notamment en silice ou en nitrure de silicium dans lequel on ouvre des~ fenêtres par un procédé dit de photogravure. On sait que dans les procédés de photogravure on dépose, à la surface du matériau à graver, un produit photosensible que la lumière ultra-violette transforme soit par dépolymérisation (produit dit po- sitif généralement à base de phénol-formaldéhyde) soit par polymérisation (pro- duit dit négatif généralement à base de cis-poîyisoprène). Dans tous les cas, le produit non po+7mérisé peut être plus facilement éliminé par dissolution avec ou sans réaction chimique, que le produit polymérisé.Dans les procédés habituels le produit est déposé sur la couche que l'on désire graver t il est irans- formé sur certaines plages par un éclairement localisé de ces plages obtenu généralement par un procédé photographique ; il est enfin éliminé par décollement et dégradation sous l'action d'un agent chimique aux emplacements où il n'est pas polymérisé. La trame ainsi obtenue, par ce que l'on peut appeler une photodéfinition, sert de masque pour une opération de gravure de la couche sousjacente du matériau minéral. La précision du contour de la fenêtre obtenue dans le matériau minéral dépend de la précision de la photodéfinition d'une part et de celle de l'attaque de gravure d'autre part.La trame en produit photosensible est alors le plus souvent éliminée par décollement et dégradation sous l'action d'un agent chimique. On a déjà observé que les produits#photosensibles étaient opaques aux ions ayant une énergie dans la gamme de celles que l'on utilise pour l'implantation ionique des régions dopées de semiconducteurs. Mais, jusqu a présent, on n'a pu réellement utiliser ces produits pour le masquage à la place des masques minéraux parce que ces substances sont transformées par le bombardement lui-m#me. Cette transformation sous bombardement de produits déjà polymérisés réside probablement dans une polymérisation encore plus complète de ceux-ci. Elle se traduit en tous cas à partir d'une certaine dose de bombardement de l'ordre de 1015 atomes par cm par une impossibilité presque totale d' élimina- tion du masque bombardé. Tous les acides forts, (acide nitrique fumant) tous les mélanges d'oléums (mélange sulfochromique, mélange d'acide sulfurique et d'eau oxygénée) se révèlent impuissants à une élimination totale et sans pollution. On a essayé ainsi de brûler la trame durcie par des recuits sous oxygène. Mais, outre que cela entraîne des diffusions intempestives, lesdits recuits laissent aussi à la surface de la plaquette des résidus polluants. La présente invention apporte une solution à ces problèmes. Elle utilise un procédé déjà connu d'attaque de substances pelliculaires, dont l'utilisation pour l'élimination d'un produit photosensible ainsi transformé est une application nouvelle. Le procédé de masquage selon la présente invention, pour la création de zones semiconductrices fortement dopées engendrées par implantation ionique, est remarquable en ce que l'on dépose sur la surface d'un dispositif constitué essentiellement d'une plaquette semiconductrice, ladite surface étant celle à partir de laque#lle l'implantation doit être faite, ai mocss une ccuchedkn pD- duit photosensible d'une épaisseur suffisante pour qu'elle constitue unKobsta- cle aux ions utilisés, en ce que, par photodéfinition, on élimine ledit produit sur les plages sur lesquelles ladite implantation doit êere effectuée, en ce que l'on effectue ladite implantation, puis en ce que l'on place ladite plaquette dans une enceinte où sont introduites sous une basse pression des vapeurs oxygénées activées dans un champ électrique à haute fréquence et, enfin, en ce que' lion interrompt l'opération quand la couche de produit photosensible est éliminée. Suivant les cas, la surface dudit dispositif est constituée par la surface de la plaquette semiconductrice ou, au moins partiellement, par la surface d'une pellicule créée à la surface de ladite plaquette et à travers laquelle l'implantation peut être faite. Il est parfaitement possible d'utiliser l'invention plusieurs fois au cours de la fabrication d'un même élément en créant successivement, lors de chaque phase, un masque en produit photosensible. Il est commode dans ce cas, comme dans le cas de l'élaboration d'un masque selon l'invention après l'utilisation d'un autre procédé de masquage, de créer à la surface dudit dispositif un repère, pour faciliter le positionnement. Il est particulièrement avantageux de recouvrir dans ce but toute la surface semiconductrice d'une pellicule isolante, par exemple en silice ou en nitrure de silicium, d'une épaisseur, par exemple, de 0,08 à 0,3 /um à travers laquelle on effectue au moins une partie des implantations. On utilise alors la fenêtre déjà ouverte dans la première couche de produit photosensible, dans le but d' effectuer la première implantation, pour créer, par corrosion sur la plage ainsi libérée, une empreinte ayant, par exemple quelques centaines d'ang str#ms de profondeur. La fréquence du champ de haute fréquence est avantageusement comprise entre 5 et 35 NHz ou encore plus favorablement entre 12 et 15 NHz. La pression dans l'enceinte des vapeurs oxygénées est avantageusement comprise entre 10 et 2000 pascals, et obtenue par un balayage entre un système d'introduction et un système-dépresseur. Le balayage entraîne les gaz brdlés. Préférentiellement, l'opération est conduite en deux étapes. Au cours d'une première étape, la pression utilisée est de 130 à 400 Pa, et au cours d'une seconde étape elle est de 60 à 130 Pa. Au cours de la première étape, du fait de la pression élevée, l'oxygène est peu dissocié, mais présent en grande quantité, et les composants les plus faciles à brayer sont éliminés rapidement du fait de cette abondance même. Une durée de 3 à 5 minutes est généralement suffisante, pour éliminer la masse de ces composants. Il reste généralement des composants particulièrement difficiles à éliminer ; au cours de la seconde phase, du fait de la faible valeur de la pression, le plasma est plus important, l'oxygène est plus dissocié et ces composants résiduels sont brayés. La durée de l'opération dépend du nombre de plaques, car une certaine quantité d'oxygène est nécessaire. Dans les travaux conduits par la Demanderesse, cette durée était couramment de 10 à 15 minutes.On peut facilement faire succéder la seconde étape à la première par modification du débit de vapeur dfozygène introduit dans l'enceinte. Le résultat est remarquable: la laque durcie est éliminée sans que soient attaqués les composés, ni la plupart des corps qui subissent# seule- ment parfois une très légère oxydation superficielle. Le procédé selon la présente invention permet, enutilisant directement un produit photosensible comme matériau du masque opaque aux ions, une définition des ouvertures supérieure à celle que l'on obtient avec les couches de matériaux minéraux gravés, car l'imprécision due à la gravure est eliminée. Ce procédé est le seul qui, actuellement, permette d'obtenir des régions à haut dopage avec une telle précision. De plus, il est d'une utilisation beaucoup plus facile que le procédé par masque gravé qui comporte lui-même une phase de définition du masque par produit photosensible suivie d'une phase de gravure. Il est plus court, car le produit photosensible bombardé stélimine en quelques minutes, et, il est beaucoup moins polluant car il supprime l'utilisation de solution chimique. Ce procédé est applicable à tous les disposItifs semiconcteurs il permet d'utiliser comme masque toutes les laoues et toutes les résines positives ou négatives du commerce (qu'elles soient à base de phénol-formaldéhyde, à base de cis-polyisoprène ou qu'elles aient une autre base). L'atmosphère du gaz oxydant brille la laque sans altérer les plages libres de la surface et ceci, quelle que soit la dose d'implantation utilisée. Il permet notamment d'obtenir des dispositifs d'une planéité remarquable, en fait, complètement plans sur lesquels on peut créer des connexions dans les meilleures conditions possibles. Pour la mise en oeuvre dudit procédé, on introduit avantageusement dans l'enceinte de l'oxygène. Il est avantageux d'ajouter à l'oxygène ou aux autres vapeurs oxygenées, une certaine quantité de vapeur d'eau, préférentiellement de 1 à 15 ffi en poids. Ainsi, une certaine quantité du carbone est transformée en méthane plutôt qu'en C02, ce qui a un effet favorable quant à la rapidité et à la qualité finale de la propreté. On peut faire cette addition soit au cours de la première étape, soit au cours de la seconde, soit au cours des deux étapes. Ce procédé rend possible de nouveaux procédés d'alignement de zones séparées, objets de la demande de brevet français n0 déposée simultanément avec la présente demande et au nom de la Demanderesse, sous le tite "Procédé de réalisation de dispositifs semiconducteurs" La présente invention concerne également les dispositifs obtenus par le procédé selon l'invention. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple d'utilisation non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 6 illustrent diverses étapes de réalisation d'un dispositif par implantation ionique, notamment d'un transistor, faisant intervenir le procédé selon l'invention. Selon les figures 1 à 6, on choisit une plaquette 1 en silicium comportant une couche épitaxiale de silicium 2, de type de conduction N et de résistivité 0,6#cm par exemple, formée sur un substrat de silicium 3 de type P et de résistivité de l'ordre de 4r cm à l'interface desquels on a créé une couche enterrée 4 de type N+. Â la surface de la couche épitaxiale, on fait croître une couche épaisse d'oxyde 5 composée de Si 02 et/ou de Si3 N4.L'épaisseur de la couche épitaxiale 8 peut être, par exemple de l'ordre de 2 un et celle de la couche d'oxyde 5 de l'ordre de 0,1 à 0,4 /um. Avantageusement, la couche 5 est une légère pellicule d'oxyde thermique, ce qui permet d'avoir une pellicule d'épaisseur #précise, par exemple de O,t /um. La plaquette à ce stade de la fabrication est représentée sur la figure 1. On recouvre alors la surface de la couche d'oxyde 5 d'une couche de produit photosensible 6, par exemple d'une laque positive connue commercialement sous le nom de "laque SHIPLEYn à base de crésol-formaldéhyde, ou d'une laque nWAYCOAD" positive de 1 o d'épaisseur environ. Par photodéfinition une ouverture 7 est pratiquée dans la couche 6. Cette couche 6 de laque est destinée à servir d'écran lors de l'implantation d'ions de bore de 150 keV dans l'ouverture 7 à travers la pellicule d'oxyde pour former progressivement une cloison dtisolement 8 du dispositif semiconducteur. On effectue alors l"implanta- tion IIt. La dose de bore, par exemple de 3,1 15 atomes par 2 est telle cm > que la résistivité de l1ilot 8 est comprise entre 50 et 1o0J#o. La plaquette à ce stade de la fabrication est représentée figure 2. Après l'implantation, la plaquette est trempée pendant 2 à 3 minutes dans une solution contenant un volume d'acide fluorhydrique à 50 ffi et 19 volumes d'eau. Cette attaque produit dans la plage Sa d'oxyde de silicium qui a reçu les ions implantés par la fenêtre 7 une empreinte 9 qui sert de repère de positionnement pour tous les masquages suivants. Par le procédé selon l'invention t on élimine alors la couche de laque 6 qui, en raison de l'opération d'implantation ionique de bore, a poursuivi sa polymérisation et s'est considérablement durcie. Cette élimination s'effectue dans une enceinte sous vide, dite réacteur à plasma, dans laquelle on crée un balayage d'oxygène contenant 5 ffi de vapeur d'eau. Dans la première étape, la pression est de 300 pascals environ. On active ce gaz en appliquant une tension alternative à une fréquence d'une quinzaine de NNz par ltintermé- diaire de deux électrodes fixées à l'extérieur de ladite enceinte. Au bout de trois minutes, on diminue le débit de flux gazeux introduit, de manière que la pression dans l'enceinte diminue jusqu a 80 pascals, et on continue l'opération pendant une vingtaine de minutes. Comme il a été déjà dit ci-dessus dans ce mémoire, la durée des opérations, surtout celle de la seconde gtapetdépena de la quantité de laque à brûler. Les couches sous-jacentes de nitrure de silicium ou de silice restent totalement inattaquées pendant cette opération, le silicium, éventuellement à nu, subit une très légère oxydation qui s'arrête immédiatement. La plaquette est donc, après cette opération, d'une propreté impossible à obtenir autrement quel que soit le moyen utilisé. La surface de la couche d'oxyde 5 étant parfaitement nettoyée, on dispose alors une nouvelle couche de laque 10 d'une épaisseur de t /um dans laquelle on définit l'ouverture 11. On effectue alors l'implmntation 112 d'ions de phosphore de 170 keV pour créer l'îlot 12 devent former la prise de contact de collecteur (figure 3). La dose peut être comprise entre 2.1015 et 5.1015 a 2 tomes par cm et de nouveau la laque est durcie. Par le procédé selon l'inven- tion déjà décrit ci-dessus, en élimine la couche de laque 10. On fait alors subir au dispositif un traitement thermique qui provoque d'une part la diffusion des ions de phosphore 12 dans la couche épitaxiale 2 qui viennent rejoindre la couche enterrée 4 en 12a et, d'autre part, la diffusion des ions de bore 8 dont une partie traverse l'épaisseur de ladite couche 2 pour former une cloison d'isolement Sa rejoignant le substrat 3. On dépose alors une couche de laque photosensible 13 d'une épaisseur de I /um dans laquelle on définit l'cuverture 14. Â travers cette ouverture 14 et à travers la pellicule d'oxyde sous-jacente, on implante des ions de bore pour créer, après diffusion, l'îlot de base 15 de type P et de résistivité sensiblement égale à 600#/o. L'énergie fournie doit être telle que l'épaisseur de l'îlot 15 atteigne environ 0,3 Elle est par exemple de 30 keV et la dose de 4.1013 atomes par cm2. La plaquet- te à ce stade de la fabrication est représentée sur la figure 4. Bien que la couche de laque 13 soit moins durcie que les précédentes en raison de la dose plus faible utilisée, on l'élimine avantageusement par le procédé selon l'invention et on la remplace par une nouvelle couche 16 dans laquelle on définit une fenêtre 17. Par cette ouverture, on effectue l'implantation 114 dtionsde bore, par exemple de 70 keV, pour former l'îlot 18 devant constituer la prise de contact de base.Cet pilot doit donc être d type P à forte concentration en-impuretés ; aussi la dose est-elle de 5 à 4.1 15 atomes 2 par cm , ce qui après le traitement thermique ultérieur à 9500 ou 10000 C con- duit à une résistance de couche de 50 à 70JI/D . La plaquette à ce stade de la fabrication est représentée sur la figure 5. Après l'élimination de la couche 16 par le procédé selon ltin vention, la dernière étape de la fabrication du dispositif semiconducteur consiste à former son émetteur, et, éventuellement à parfaire la prise de contact de collecteur. A ce stade de la réalisation, il'est avantageux d'accroitre l'épaisseur de la couche d'oxyde 5 afin de réduire les capacités parasites, d'accroître les tensions de claquage entre les métallisations ultérieures et les différentes régions du silicium et, plus généra#lement d'accroître les rendements de fabrication. Ceci est obtenu, par exemple, en déposant sur toute la surface de la plaquette une couche d'oxyde de silicium 5b de 0,4 à 0,5 /um d'épaisseur. On dépose enfin une nouvelle couche de laque 19 dans laquelle on définit deux fenêtres, l'une 20 en regard de l'plot 12aR autre 21 en regard de l'îlot de bore 15. Par ces fenêtres on attaque, en premier lieu, la pellicule d'oxyde des couches 5b et 5 et l'on réalise la formation des flots 22 et 23 de type N , par exemple par implantation ionique : lotl1ilot 23 constitue l'émetteur Ju dispositif semiconducteur dont la base est l'!lot 15 et dont le collecteur est la couche épitaxiale 2 Le plaquette à ce stade de la fabrication est représentée sur la figure 6. Pour créer ces flots 22 et 23 par implantation ionique, on utilise par exemple des ions arsenic d'énergie 80 keV à une dose de 3.1015 atomes 2 par cm2 . Il est à remarquer que les îlots 22 et 23 peuvent être également formés suivant les méthodes classiques de diffusion the i que (dans ce cas, il est nécessaire d'éliminer auparavant la couche 19). Après suppression de la couche 19 par le procédé selon l'invention, on effectue un recuit thermique de 15 minutes à 10000 C. Las prises de contact non représentées sur les figures peuvent alors être réalisées. Il est à remarquer qu'en plus des avantages de précision et de non pollution, le dispositif obtenu a celui d'être complètement plan, aussi plan qu'au début de la fabrication ce qui est particulièrement intéressant pour la qualité des métallisations* REVENDICATIONS : 1. Procédé de masquage pour la création de zones semiconductrices fortement dopées engendrées #par implantation ionique, caractérisé en ce que l'on dépose sur la surface d'un dispositif constitué essentiellement d'une plaquette semiconductrice, ladite surface étant celle à partir de laquelle l'implantation doit être faite, au moins une couche d'un produit photosensible d'une épaisseur suffis#ante pour qu elle constitue un obstacle aux ions utilisés, en ce que, par photodéfinition, on élimine ledit produit sur les plages sur lesquelles ladite implantation doit être effectuée, en ce que lion effectue ladite implantation, puis en ce que l'on place ladite plaquette dans une enceinte où sont introduites, sous une basse pression, des vapeurs oxygénées, activées dans un champ électrique à haute fréquence et, enfin, en ce que l'on interrompt l'opération quand la couche de produit photosensible est éliminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface dudit dispositif est la surface de ladite plaquette semiconductrice. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface dudit dispositif est au moins partiellement celle d'une pellicule créée à la surface de ladite plaquette semiconductrice. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, au cours d'une première phase, on crée par une première implantation faite avec un premier masque au moins une première zone puis, en ce que, au cours de phases ultérieures, on crée au moins une autre zone par une autre implantation faite avec un second masque. 50 Procédé selon l'une des revendications 2, 3 et 4, caractérisé que, au cours d'une première phase, on crée à la surface du dispositif une empreinte qui sert de repère pour au moins un masque utilisé au cours d'une phase ultérieure. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite pr#ession de vapeurs oxygénées est comprise entre 10 et 2000 pascals. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 6, caractérisé en ce que la fréquence du champ appliqué est comprise entre 5 et 35 MEz. 8. Procédé selon l'une des revendications 1, 6 et 7, caractérisé en 2 ce que la dose de l'implantation ionique est supérieure à i015 atomes par cm 9. Procédé selon l'une des revendications t et, caractérisé en ce que lesdites vapeurs oxygénées sont obtenues en introduisant de l'oxygène. 10 Procédé selon l'une des revendications 1, 6 et 9, caractérisé en ce que, simultanément à l'introduction de vapeurs oxygénées, on fait entrer dans l'enceinte des molécules d'eau. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la proportion en poids de molécules d'eau est de t à 15 9 de la proportion d'oxygène. 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit photosensible est une laque. 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le produit photosensible est une résine. 14. Procédé selon l'une des revendications 1, 12 et t3, caractérisé en ce que le produit photosensible est du type dit positif. 15. Procédé selon l'une des revendications 1, 12 et 13, caractérisé en ce que le produit photosensible est du type dit négatif. 16. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ledit produit positif est à base de phénol-formaldéhyde. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit produit négatif est à base de cis-polyisoprène. 18. Dispositif semiconducteur obtenu par le procédé conforme à la revendication 1.