Brevet FR2305022A1 — publié le 19761015

La présente invention concerne un procédé de fabrication de transistors comprena t une première région d'impuretés dans un substrat, écartée la:xralement, d'une courte distance, d'une seconde région d'impuretés. En raison de la facilité de sa fabrication, le transistor à effet de champ (PET) est largement utilisé dans la technologie des circuits intégrés. le transistor à effet de champ le plus commun utilise des régions de source et de drain à la surface d'une pastille ou galette de silicium, séparées par une région formant canal à travers laquelle le courant est commandé par une électrode de commande placée au-dessus de la région canal et isolée de celle-ci par une couche mince de bioxyde de silicium. Ces dispositifs se prêtent aux techniques de fabrication à grande échelle des circuits imprimés parce que les régions de source et de drain peuvent être faites pardiffusion ou implantation simultanées d'impuretés, et qu'on peut obtenir des densités de groupement ou d'emballage élevées.Un inconvénient de ces dispositifs est que leur vitesse électronique de fonctionnement est limitée par la difficulté de fabriquer un court canal au-dessus duquel on puisse aligner avec précision une électrode de commande. Un dispositif qui est en rapport, du point de vue de sa construction, avec le transistor à effet de champ est le transistor latéralement bipolàire dans lequel les régions émetteur et collecteur à la surface d'une pastille sont séparées par une courte région dé base. La possibilité d'application de ces dispositifs est limitée par la difficulté de créer une région de base assez courte à la surface de la pastille. Suivant l'invention, le problème de la cation d'une courte région canal ou d'une courte région de base est résolu en formant au-dessus du substrat semi-conducteur un premier masque ayant un premier bord vertical, en enlevant de manière dont on puisse être maître à chaque instant une partie du premier masque pour définir un second bord vertical espacé latéralement d'une distance dont on peut être maStre,de l'emplacement du premier bord, en utilisant le premier bord pour définir l'emplacement de la première région d'impuretés dans le substrat et en utilisant le second bo pour définir l'emplacement ae la seconde région d'impureté Dans la fabrication d'un transistor à effet de champ, par exemple, on fait un canal( au sens précédent), extrêmement court en formant une couche de métal au-dessus d'une pastille, on dépose une couche de bioxyde de silicium au-dessus d'une partie de la couche métallique, on oxyde le métal qui est à nu on attaque de manière dont on soit bien martre une partie du bioxyde de silicium pour mettre à nu une petite bande de la - couche de métal non oxydée, on plaque électrolytiquement la bande de métal mise à nu, de façon à former une électrode de commande extrêmement étroite, on enlève le Si02 déposé, l'oxyde métallique et louche de métal restante pour ne laisser que l'électrode de commande, et on utilise l'électrode de commande comme un masque pour l'implantation d'ions pour créer les régions de source et de drain.Comme l'électrode de commande peut être faite si étroite, la région canal est courte de manière correspondante, ce qui permettra un fonctionnement aux fréquences extrêmement élevées. Ce qui précède est un exemple de l'application de l'invention à la fabrication du transistor à effet de champ . le procédé de l'inxention peut être adapté à la fabrication d'autres types de dispositifs à transistor , ainsi que par exemple un transistor à disposition latérale. Sur les dessins - Les figures 1 à 4 sont des vues en coupe schématique d'une pastille semi-conductrice montrant diverses étapes de la formation d'un transistor à effet de champ suivant l'invention - les figures 5 et 6 sont des vues en plan du transistor des figures 1 à 4 à différentes étapes de sa fabrication - les figures 7 à 10 sont des vues en coupe schématiques d'une pastille semi-conductrice montrant différentes étapes de la fabrication d'un transistor à effet de champ suivant l'invention et un aspect supplémentaire de celle-ci - les figures 11 à 13 représentent encore un autre exemple de l'emploi de l'invention ; et - les figures 14 à 16 montrent encore un autre exemple de l'emploi de l'invention. les figures 1 à 4 rep fsentent un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ à canal court suivant un exemple de forme de réalisation de l'invention. 3n se reportant à la figure 1, on y voit le transistor fait d'une pastille de silicium 10 sur laquelle on a fait se développer, par traitement thermique, une couche épaisse 11 de bioxyde de silicium, connue comme couche de champ et sur laquelle on a produit également par voie thermique une couche mince 12, dite couche d'oxyde de commande. Ainsi qu'il est bien connu, on suppose que l'on fabrique un grand nombre de transistors à effet de champ, en même temps, sur la pastille 10. Suivant une forme de réalisation de l'invention, on dépose une couche métallique 13 qui peut être en l'espece d'alumi nium, d'une épaisseur de 2.000 . 10 7 mm au-dessus de l'oxyde, par exemple par dépôt en phase vapeur. En se reportant à la figure 2, on y voitque la pastille est masquée et qu'une couche 14 de bioxyde de silicium est déposée sur la partie non masquée de la couche métallique 13. On remarquera qu'en raison de la présence du masque, la couche 14 a un bord 15 qui se trouve en gros au milieu de la couche d'oxyde 12 formant électrode de commande. La couche 14 déposée couvre une partie de la couche métallique 13 et en laisse une partie dénudée. Ensuite, on oxyde la partie dénudée de la couche metallique,par exemple par anodisation, pour former une couche d'oxyde métallique 17 , dans le cas présent , une couche de bioxyde d'aluminium. Sn raison du fait que le bioxyde d'aluminium est d'un volume supérieur à l'aluminium , l'oxydation constitue un développement de la couche 17 aux dépens d'une partie de la couche métallique 13 , Si bien qu'un bord de la couche d'oxyde métallique 17 vient buter contre le bord 15 comme montré. Après cela, on expose la surface de la pastille à un agent d'attaque chimique qui attaque sélectivement la surface du bioxyde de silicium. La couche de bioxyde de silicium est exposée à l'agent d'attaque pendant un temps juste suffisant pour déplacer le bord de la couche 14 de la position 15 à la position 15', comme montré. Ce mouvement latéral dans l'empla cernent du bord 15' peut être fait extrêmement court , avec une grande précision en rais i de la grande possibilité de prévoir le taux d'attaque du bioxyde de silicium. Par exemple, la pastille peut être exposée pendant un temps suffisant à de l'acide fluorhydrique tamponné qui attaque, à une vitesse de 1.100 . 10 7 mm par minute, en donnant ainsi une distance latérale que l'on peut prévoir entre les bords 15 et 15'. L'attaque partielle de la couche d'oxyde 14 laisse une surface extrêmement étroite 18 de la couche de métal non oxy dée 13 qui est dénudée.0n place la pastille dans une solution appropriée pour plaquer un métal sur la surface 18 de façon à former une électrode 19, (figure 4), parce que la surface 18 est la seule partie de la partie dénudée qui soit métallique, c'est-à-dire le seul emplacement sur lequel le métal peut être plaqué. L'électrode 19 peut être en nickel que l'on dépose par un placage sans emploi d'électricité , sur la surface d'aluminium 18. Divers autres-mctaux pourraient être utilisés par des procédés de placage électrolytique , et il est possible aussi de plaquer de l'aluminium sur de l'aluminium en utilisant une solution non aqueuse. En se reportant à la figure 4, on y voit que le processus de placage électrolytique conduit à une électrode de commande extrêmement étroite 19 plaquée sur la surface 18de la figure 3. L'étape suivante consiste à enlever par attaque chi- mique sélective la couche d'oxyde métallique 17 , la couche de bioxyde de silicium 14 et la couche métallique 13 ( sauf ce qui est couvert par 19) pour exposer à nouveau les couches d'oxyde 11 et 12. les régions de source et de drain 21 et 22 sont formées ensuite dans la pastille 10 par implantation d'ions en utilisant l'électrode de commande 18 et la couche d'oxyde dite de champ 11 comme masques pour l'iplantation d'ions. L'implantation d'ions est un procédé bien connu et qu'il n'y a pas lieu de décrire ici. Les ions d'impuretés tels que de phosphore sont projetés vers la pastille , pénètrent dans la couche d'oxyde formant électrode de commande 12 et peuvent ensuite être diffusés pour former des régions 21 et 22. Il est bien connu qu'une bande métallique telle que l'électrode 19 et une couche de bioxyde de ilicium épaisse telle que la couche 11 joueront le rôle d masques effectifs pour donner lieu à une pénétration sélective traversant seulement la couche d'oxyde 12, comme montré. C'est-à-dire que les ions sont projetés avec une énergie suffisante pour pénétrer la couche d'oxyde formant l'électrode de commande 12 , mais avec une énergie insuffisante pour pénétrer l'électrode 19 ou la couche d'oxyde de champ 11. On observera que la proximité des régions de source et de drain 21 et 22 définit une région de canal 23 entre elles la longueur de ce canal étant imposée par la largeur de l'élec- trode de commande 19. L'électrode de commande 19 peut à son tour être fabriquée virtuellement aussi mince qu'on le désire, la seule limite étant celle qu'impose le moyen de commande par lequel on peut oxyder sélectivement la couche d'oxyde 14 de la figure 3.Du fait que cette attaque sélective peut être faite dans des tolérances inférieures au millième de millimètre, le canal 23 de la figure 4 peut également avoir des dimensions de cet ordre , l'électrode de commande 19 étant alignée par elle-même d'une manière précise avec le canal.la diffusion des régions de source et de drain 21 et 22 à la suite de l'implantation d'ions peut, ainsi qu'on le sait, être utilisée pour commander l'emplacement des limites de jonction et ainsi la longueur du canal. Au surplus, une grande série de transistors à effet de champ de ce genre peut être faite simultanément dans une seule pastille , si on le désire, pour réaliser des systèmes de commutation à grande vitesse, des circuits de logique , des systèmes de mémoire , etc. Des épaisseurs typiques des diverses couches sont données ci-après.la couche d'oxyde servant d'électrode de commande 12 peut avoir une épaisseur comprise entre 50 . 10 7 mm et 2.000 . 10 7 mm , étant par exemple d'une épaisseur de 150 . 10 7 mm .Lz couche d'oxyde de champ 11 doit avoir en fait dix fois l'épaisseur de la couche d'oxyde servant d'électrode de commande. La couche d'aluminium 13 peut avoir une épaisseur allant jusqu'à 2 micromètres , typiquement de 2.000 . 10 mm. Si la longueur de canal désirée est par exem ple de 0,25 micrometre, la ouche 14 peut avoir une épaisseur de 1 micromètre au début et tre attaquée ensuite pour revenir à 0,25 micromètre.Ainsi qu'on le sait, des épaisseurs de couche d'oxyde d'électrode de commande plus minces exigent en général des niveaux de dopage de substrat plus élevés. Le substrat de type p peut être dopé en fait à 3 x 1017 por 3 teurs/ cl , les régions de source n+ et de drain étant de 1019 porteurs/cm3. Pour le fonctionnement du circuit, il faut que la source, l'électrode de commande et le drain soient reliés séparément et de façon précise à des conducteurs métalliques. Les figures 5 et 6 qui sont des vues en plan de la pastille 10 dans différentes étapes de fabrication illustrent un procédé pour réaliser cela. La figure 5 qu'on peut considérer essentiellement comme une vue en plan de la figure 3 , représente la région d'oxyde mince 12 par la ligne limite 12A qui la sépare de la région d'oxyde de champ 11. La limite 15 correspond au bord 15 de la figure 2 pour la couche d'oxyde déposée 14. Après l'attaque destinée à diminuer l'épaisseur le bord ou limite se trouve déplacé vers l'emplacement montré en 15'. Ceci dénude la surface métallique 18 qui a la forme d'un carré évidé.Pour produire une configuration convenable de l'électrode de commande, on couvre la pastille d'une photoréserve ayant une ouverture en forme d'l 25. Ainsi, le métal de l'électrode de commande est plaqué électrolytiquement sur la surface 18 dans la région comprise seulement dans l'ouver- ture de 1'L 25. En se référant à la figure 6, on y voit qu'on a une électrode de commande en forme d'L 19 qui est en contact commode avec un conducteur d'électrode de commande 27. Les ouvertures 28 et 29 sont attaquées à travers la couche d'oxyde d'électrode de commande mince 12 pour mettre à nu les régions de source et de drain 21 et 22 de la figure 4. Celles-ci font contact respectivement avec des conducteurs métalliques 30 et 31 qui constituent les électrodes de source et de drain. Les figures 7 à 10 représentent une variante de moyens pour définir la région canal étroite. En se référant à la fi gure 7, on y voit qu'une pas ille 31 est couverte de couches de bioxyde de silicium 32 ei d'aluminium 33. Une couche de polysilicium 34 est déposée, avec un bord 35 qui définit une limite de la région canal, comme précédemment. On anodise l'aluminium déposé pour former ane couche d'oxyde d'aluminium 36 qui vient buter contre le bord 35. Cependant, la couche de silicium 34 est oxydée aussi pour former une couche de bioxyde de silicium 37. l'avantage que l'on a à former cette couche 37 est qu'elle peut être dissoute sélects tivement et que sa profondeur peut être déterminée avec beaucoup de précision. Ainsi, la pastille est exposée ensuite à un solvant de SiO2 qui enlève la couche 37 pour définir un bord 35'. Comme précédemment, ceci met à nu une petite surface d'aluminium sur laquelle une électrode de commande 38 peut être plaquée électrolytiquement , comme montré à la figure 9.En se référant à la figure 10, on y voit que les couches 33, 34 et 36 sont enlevées et que l'électrode de commande 38 est utilisée corme masque pour définir des régions de source et de drain 39 et 40 séparées par une courte région de canal 41, comme précédemment. La couche de bioxyde de silicium 37 est de préférence faite par anodisation plutôt que par oxydation thermique, de la couche de polysilicium 34. Ceci peut être fait soit avant, soit après , soit simultanément avec l'anodisation de la couche d'aluminium 33. La couche d'oxyde d'aluminium 36 sera frittée de préférence à 450 degrés C pour la rendre plus résistante à l'acide fluorhydrique tamponné en supposant que l'acide fluorhydrique tamponné est utilisé pour attaquer sélectivement la couche de bioxyde de silicium 37. les températures requises pour l'anodisation et le frittage sont toutes deux suffisamment faibles pour éviter une diffusion indésirable de l'aluminium dans le silicium. Il est clair que la construction de la figure 4 ou de la figure 10 pourrait être utilisée pour un transistor bipolaire dans lequel les régions de source et de drain pourraient être considérées comme régions d'émetteur et de collecteur séparées par une courte région de base. Ces transistors que l'on connaît sous le nom de transistors latéraux bipolaires ont certains avantages recto us par rapport au transistor bipolaire vertical classique qci utilise une diffusion d'émetteur dans la région de base Des variantes de procédés pour fabriquer ces transistors latéralement bipolaires sont montrées aux figures 11 à 15 et 14 à 16. En se référant à la figure 11, on y voit une pastille de type p 44 qui est couverte d'une couche mince de bioxyde de silicium 45 et d'une couche de silicium déposée 46. Un mas que de nitrure de silicium 47 ayant un bord 48 est déposé sur la couche 46 en utilisant les techniques de masquage habituelles. La couche 47 agit alors comme masque pendant l'implantation des ions dans une région de collecteur de type n 50. En se référant à la figure 12, on y voit que la couche de nitrure de silicium 47 sera ensuite exposée à une attaque sélective qui déplacera le bord de la couche 47 vers l'endroit 48 à courte distance latéralement de la région de collecteur diffusée 50. Ensuite, la couche de silicium 46 de la figure Il subira une oxydation pour former une couche de bioxyde de silicium 51 venant buter contre le bord 48'. Ainsi qu'on le sait, le nitrure de silicium peut être attaqué sélectivement à raison de 70 à 80 . 10 7 mm à la minute au moyen d'une solution de HPa4 à 160 degrés C. En se référant à la figure 13, on y voit que la couche de nitrure de silicium 47 sera enlevée ensuite par attaque sélective , comme la couche de silicium restante 46 de la figure 12. Ceci ne laisse que la couche d'oxyde mince 45 et la couche de bioxyde de silicium épaisse 51 ayant un bord 48' qui correspond au même emplacement déplacé montré à la figure 12. En utilisant la couche 51 comme un masque, la région d'émetteur 52 sera définie ensuite par implantation d'ions , étant déplacée de façon convenable de la région collecteur 50 d'une distance correspondant au déplacement latéral des bords 48 et 48' des figures 1 et 12. Comme il n'y a pas d'alignement automatique d'une électrode de commande, ce procédé est pré féré pour faire un transistor latéralement bipolaire plutôt qu'un transistor à effet de champ. Cependant, on pourrait appliquer une électrode de cora;tnde alignée pour fabriquer un transistor à effet de champ. En se référant aux figures 14 à 16, on y illustre un procédé de fabrication d'un transistor latéralement bipolaire dans une pastille oO, estivant un autre aspect de l'invention. D'abord, on forme une couche d'oxyde mince 61 et une couche métallique mince 62. Ensuite, on dépose une couche épaisse de bioxyde de silicium 63 ayant un bord de masque 64. Une étape d'implantation d'ions utilisant la couche 63 comme masque forme une région de collecteur de type n 66. Après cela, on dépose une autre couche de métal 65 , par exemple par placage électrolytique , sur la surface exposée de la couche métallique 62 seulement. En se référant à la figure 16, on y voit que comme la couche 65 bute contre la couche de bioxyde de silicium 63, elle a un bord 64. On dissout sélectivement la couche de bioxyde de silicium 63 et la couche métallique dénudée 62 en sorte que le seul métal dénudé soit la couche 65. Après cela, on forme sélectivement une autre couche de métal 67 sur la couche métallique 65 , par exemple par placage électrolytique ou par un procédé n'utilisant pas l'électricité. Le métal déposé par placage électrochimique forme une couche d'épaisseur uniforme , et ainsi le bord 68 de la couche 67 est déplacé d'une petite distance prévisible par rapport au bord 64. La région d'émetteur 69 est formée alors par implantation d'ions en utilisant le bord 68 pour en définir l'étendue latérale.L'épaisseur de la couche de métal 67 définit naturellement la distance entre l'émetteur 69 et le collecteur 66 et, à nouveau, on peut faire cette distance très petite et avec beaucoup de précision. La couche 62 sera de préférence une couche très mince de tungstène. La couche 65 est de préférence de nickel électroplaqué et la couche 67 est de préférence de nickel plaquée par un procédé de dépôt sans électrolyse. On peut attaquer sélectivement le tungstène au moyen d'une solution comprenant une fraction de ferricyanure de potassium 0,1 molaire (1'eCN6), une fraction de solution de K2Y04 0,25 molaire et une fraction de solution de KOH 0,23 molaire. Les différentes mat res et les moyens d'attaque qui ont été énumérés ci-dessus représentent, à titre d'illustration, des matériaux et les valeurs indiquées pour la conductivité des processus d'implantation , sont également des exemples. On pourra utiliser la diffusion dans certains cas plutôt que l'implantation d'ions et on pourrait l'utiliser aussi en association avec l'implantation d'ions. R3lENDI ATIONS 1.- Procédé de fabric tion d'un transistor ayant une première région d'impuretés dans un substrat semi-conducteur écartée latéralement d'une courte distance d'une seconde région d'impuretés , caractérisé en ce qu'on forme sur le substrat semi-conducteur un premier masque ayant un premier bord vertical ; en ce qu'on enlève de manière contrée une partie de la surface exposée du premier masque pour définir un second bord vertical écarté latéralement d'une distance contre lée de l'emplacement du premier bord ; en ce qu'on utilise le premier bord pour définir l'emplacement de la première région d impuretés dans le substrat; et en ce qu'on utilise le second bord pour définir l'emplacement de la seconde région dimpuretés. 2.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à former une couche de métal sur le substrat avant de former le premier masque et à oxyder cette partie de la couche métallique non couverte par le premier masque avant d'enlever une partie du premier masque, en sorte que l'étape qui sert à définir le second bord dénude une partie de la couche métallique ; et à déposer un métal de façon telle que le métal déposé n'adhère qu'à la couche métallique exposée. 3.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les régions d'impuretés sont formées par implantation d'ions et en ce qu'on utilise le métal déposé comme masque pour l'implantation des ions. 4.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le premier masque est une couche de silicium déposée sur une partie de la couche métallique et en ce que la couche métallique est constituée d' aluminium. 5.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'oxydation contrôlable de la couche de silicium pour former le bioxyde de silicium et en ce qu'on attaque sélectivement la couche de bioxyde de silicium. 6.- Procédé de fabric tion de traiisistors suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier masque est une couche de nitrure de silicium 7.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 6, caractCrisé en ce qu'il comporte une itiplan- tation d'ions pour la première région d'impuretés en utilisant le premier masque comme masque d'implantation d'ions ; en ce qu'on forme un second masque après avoir défini le second bord vertical et en ce qu'on procède à l'implantation d'ions de la seconde région d'impuretés en utilisant le second masque comme masque d'implantation d'ions. b.- Procédé de fabrication de transistors suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le premier masque est de bioxyde de silicium qu'on utilise comme masque dtimplanta- tion d'ions pour définir l'emplacement de la première région d'impuretés et en ce que le second bord fait partie d'une couche métallique utilisée comme masque d'implantation d'ions pour définir l'emplacement de la seconde région d'impuretés.