Brevet FR2296263A1 — publié le 19760723

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur à effet de champ à canaux verticaux, comprenant un premier dépôt épitaxique sur une plaquette monocristal ,/matériau semiconducteur d'un premier type de conductivité, une diffusion localisée d'une région de type de conductivité opposé constituant la grille du dispositif, et un second dépôt épitaxique du premier type de conductivité. On connait les dispositifs à effet de champ à canaux multiples verticaux, dans lesquels un courant circulant entre les deux faces d'une plaquette semiconductrice, où sont situées les électrodes de source et de drain, est modulé par la tension appliquée à une grille enterrée dans l'épaisseur de la plaquette. La grille laisse une multiplicité de canaux de passage de courant dont la conductance est fonction de l'épaisseur de la zone de charge d'espace provoquée par la polarisation en inverse de la jonction de la grille. Dans le dispositif de forte puissance, on cherche à augmenter la section des canaux et à leur donner une longueur minimale, pour diminuer la résistance série et augmenter les niveaux de courant de saturation et on tend à augmenter la résistivité du matériau des canaux en vue d'améliorer la tension de claquage entre la grille et la source ou le drain, et pour diminuer la tension de pincement. Une structure tendant à répondre à ces diverses exigences, ainsi que le procédé pour le réaliser, sont décrits dans la demande de brevet français publiée sous le n0 2 204 047. Après dépôt d'une première couche épitaxiale, des sillons sont creusés par attaque localisée anisotrope et, une diffusion, au fond et sur les parois de ces sillons, forme la grille du dispositif. Mais une attaque localisée, meme anisotrope, ne permet pas d'obtenir des sillons très étroits, la surface de-plaquette disponible pour les canaux après la diffusion de la grille, est relativement faible. La capacité entre grille et source est relativement élevée à cause de la distance réduite qui les sépare et du matériau semiconducteur qui est interposé, ce qui en outre, détermine une tension de claquage grille-source de faible valeur. Un des buts de l'invention est de pallier les inconv#nients des procédés connus et de permettre de réaliser des dispositifs à effet de champ de grande puissance dans lesquels, la section des canaux soit maximale, leur longueur minimale, la capacité entre grille et source minimale et la tension de claquage grillesource maximale. Selon l'invention, le procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur à effet de champ à canaux verticaux, comprenant un premier dépit épitaxique sur une plaquette monocristalline, de matériau semiconducteur d'un premier type de conductivité, une diffusion localisée d'une région de #type de conductivité opposé constituant la grille du dispositif, et un second dépit épitaxique du premier type de conductivité, est remarquable principalement en ce que, après ledit premier dépôt, un dépôt localisé de prédiffusion destiné a ladite grille est effectué, ce dépôt est sélectivement recouvert d'une couche d'oxyde et ledit second dépôt épitaxique est effectué, le matériau croissant au-dessus dudit oxyde étant polycristallin, après quoi on procède à une oxydation profonde jusqu'à atteindre ladite grille, l'oxyde formé à partir de monocristal est. éliminé et une diffusion superficielle donnant le premier type de conductivité est effectuée dans les parties mises à nu du monocristal obtenu lors dudit second dépôt épftaxiquer Au cours du second dépôt épitaxique, la couche d'oxyde localisée au-dessus du dépôt de prédiffusion, donne lieu à la croissance d'un matériau polycristallin, tandis que le reste de la surface, non recouvert d'oxyde donne lieu à la croissance épitaxique de monocristal. On sait que l'oxydation a un effet beaucoup plus rapide sur le matériau polycristallin que sur le matériau monocristallin, aussi l'oxydation atteint la région de la grille sous le matériau polycristallin alors que la surface du monocristal est oxydée sur une épaisseur beaucoup plus faible.On obtient ainsi une gril1 recouverte sélectivement d'oxyde épais et des canaux dont la couche superficielle est fortement dopée par diffusion, après élimination de l'oxyde mince qui la recouvre. Le masque nécessaire au dépôt de prédiffusion de la grille peut être assez précis pour que les plages de prédiffusion soient étroites et eusiblement plus étroites que ne peuvent l'être les sillons creusés sur une certaine profondeur par une attaque anisotrope. L'oxyde surmontant la grille permet d'obtenir une plus grande tension de claquage et une plus faible capacité entre grille et source, qu'un matériau semiconducteur même partiellement compensé. De plus, l'épaisseur d'oxyde surmontant la grille est fonction de l'épaisseur de la seconde couche épitaxiale et peut être très forte relativement aux épaisseurs de matériau, compensé ou non, obtenues par les procédés connus. La grille étant enterrée plus profondément, la tension de claquage grille-source est encore plus élevée et la capacité encore plus faible. De préférence, le masque destiné à localiser le dépôt de prédiffusion et reproduisant le dessin de la grille du dispositif estréalisé en un matériau formant barrière à l'oxydation, par exemple le nitrure de silicium dans le cas où la plaquette est en silicium, et ce masque est éliminé sélectivement après oxydation thermique. Ainsi, le même masque sert au dépôt de prédiffu- sion et à la croissance de l'oxyde recouvrant ce dépôt, et évite d'avoir à réaliser un masque de localisation de cette couche d'oxyde ; il y a autoalignement de l'oxyde donnant lieu à la croissance de polycristal et de ce fait de l'oxyde isolant la grille, par rapport à la grille elle-même. Le dépôt de prédiffusion peut être effectué par différentes méthodes. Dans un premier cas de mise en oeuvre, une diffusion à très forte concentration de dopant à partir d'une phase vapeur permet, avec un procédé classique, d'obtenir une couche superfi- cielle suffisamment dopée pour donner en fin de-fabrication, après les diffusions provoquées par les différents traitements thermiques opérés, un profil de concentration et des valeurs de concentration convenables. Dans un autre cas de mise en oeuvre, le dépôt de prédiffusion est obtenu par implantation ionique, ce qui permet de ltenterrer à quelque distance de la surface. On évite ainsi l'exodiffusion d'impuretés qui risque de se produire au début du second dépôt épitaxique en direction de l'oxyde et du polycrigCal formés ulté- rieurement au-dessus du dépôt de prédiffusion. Selon une autre méthode permettant d'éviter les inconvénients d'une exodiffusion, on réalise la couche d'oxyde localisée audessus du dépôt de prédiffusion, par oxydation thermique en deux temps. Une première oxydation thermique est effectuée, puis l'o- xyde formé est éliminé par décapage sélectif et une seconde oxydation thermique est effectuée. Au cours de la première oxydation, on diminue la concentration en surface du dépôt de prédiffusion. De ce fait, le second oxyde formé est très peu dopé et ne risque pas de doper le matériau que l'on fait croître au cours du second dépôt épitaxique. Les canaux du dispositif étant formés dans le matériau épitaxial déposé au cours des deux opérations de dépôt sont réalisés avec une faible concentration de dopant qui donne au matériau une forte résistivité. Avantageusement, une région de contact de grille est créée par diffusion localisée avant le dépôt de prédiffusion destinée à la grille, d'impuretés dopantes donnant le type de con ductivité opposé à celui de la couche épitaxiale. Pour la diffusion de contact de grille, la surface de la couche épitaxiale obtenue par le premier dépôt est oxydée et, par photogravure, une fenêtre est ouverte dans la couche d'oxyde. Après cette diffusion, l'oxyde est éliminé. La région de contact de grille, créée comme il vient d'être dit, diffuse dans la seconde couche épitaxiale déposée, mais cette dernière diffusion peut n'être pas suffisante pour atteindre la surface du dispositif avec la concentration nécessaire au contact. Pour assurer le contact de grille, une région de sortie de contact de grille est diffusée localement au-dessus de la région de contact de grille, à une profondeur suffisante pour atteindre cette dernière et avec une forte concentration de dopant donnant le même type de conductivité. La diffusion de la région de sortie de contact de grille est effectuée de préférence après l'oxydation profonde et avant l'élimination de l'oxyde formé à partir de monocristal. Cette diffusion est effectuée après ouverture d'une fenêtre adéquate dans la couche d'oxyde formée par ladite oxydation profonde. Les opérations d'oxydation, de dépôt d'oxyde, de formation de barrière à l'oxydation, que comporte le procédé selon l'invention, peuvent être réalisées selon les méthodes connues. Il est à noter que la formation de l'oxyde recouvrant sélectivement le dépôt de prédiffusion destinée à la grille doit présenter une surface susceptible d'assurer la croissance d'un matériau polycristallin. L'invention est applicable à la réalisation de dispositifs semiconducteurs à effet de champ canaux verticaux et en particulier de transistors à effet de champ de forte puissance. Le procédé selon l'invention permet de réaliser aussi bien des dispositifs à canaux de type n et grille de type p que des dispositifs a canaux de type p et grille de type n, à partir de plaquettes de silicium. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures la à li représentent, en coupe partielle, un transistor à effet de champ au cours des différentes étapes de sa fabrication selon l'invention. La description suivante concerne, à titre d'exemple, la fabrication d'un transistor de puissance, en silicium, à canaux multiples de type n. Le transistor est réalisé à partir d'une plaquette 1 (fig. la) de silicium de type n sur laquelle est déposée une couche épitaxiale 2 de type n. Sur la surface de la couche 2, on forme, par oxydation, une couche 3 d'oxyde de silicium SiO2 et par photogravure une fenêtre est ouverte dans la couche 3 à l'emplacement prévu pour le contact de grille. Une région 4 de type p est prédiffusée à travers cette fente (fig. lb). La couche d'oxyde 3 est ensuite éliminée par un moyen d'attaque préservant le silicium et une couche de nitrure de silicium 5 (fig. lc > est déposée sur la surface de la couche épitaxiale 2. La couche 5 est déposée selon une méthode connue, par exemple au moyen d'un courant gazeux d'ammoniaque et de tétrachlorure de silicium ou par nitruration de silane. L'épaisseur de la couche 5 est déterminée par sa capacité à servir de barrière d'oxydation. La couche 5 fait ensuite l'objet d'une photogravure selon le dessin de la grille du dispositif, par exemple ce dessin comprend des barres parallèles et un cadre qui les relie. La largeur de l'ouverture du masque constitué par la couche à l'endroit des barres, est de quelques micromètres, ce qui laisse une possibilité de canaux de grande section totale, bien que la largeur de chaque canal soit également très faible. On effectue une prédiffusion de la grille à travers l'ouverture dans la couche 5. L'opération comprend un dépôt d'impuretés donnant le type p et une première diffusion de-ces impuretés, qui permet d'obtenir la région 7. Au cours de cette diffusion, la surface de silicium laissée libre par l'ouverture dans la couche 5 est oxydée et on obtient une surface d'oxyde 6 reproduisant le dessin de la région 7 sous-jacente. La couche 5 de nitrure de silicium est éliminée par attaque sélective préservant l'oxyde 6, par exemple au moyen d'acide orthophosphorique (fig. ld). L'opération suivante est un dépôt épitaxique. Une couche 8 de type n est déposée sur la couche 2 par un procédé d'épitaxie en phase vapeur. La partie de couche épitaxiale 8 dont la croissance se produit en 9, au-dessus de l'oxyde 6, est polycristalline (fig. le). La couche épitaxiale 8 a une épaisseur de 4pm environ, la résistivité du matériau monocristallin déposé étant de 5 à 10 Qcm. De préférence, les conditions de dépôt épitaxique sont prévues pour que le matériau polycristallin déposé 9 ait une grosseur de grain suffisamment importante afin que l'oxydation qui suit soit très rapide, de l'ordre trois fois plus rapide au moins que l'oxydation du monocristal. On procède ensuite à cette oxydation prolongée, par exemple au moyen d'oxygène humide, jusqu'à ce que tout le polycristal soit oxydé. La couche d'oxyde produit comprend ainsi, une partie très épaisse 11 (fig. If) au-dessus de la grille 7 et des parties peu épaisses 10 au-dessus des canaux déterminés par la grille. Durant les opérations précédentes, les impuretés de dopage de la région 4 continuent à diffuser, augmentant ainsi l'épaisseur de cette région, mais sans atteindre cependant la couche d'oxyde 10. Pour permettre de prendre un contact sur la grille, on ouvre dans la couche 10 une fenêtre permettant de diffuser une région 12 12 (fig. lg) de même type de conductivité p que la région 4 et assez profonde pour assurer la continuité du circuit de contact de grille. Après la diffusion de la région 12, la partie superficielle de la couche d'oxyde 10-11 est enlevée par décapage. Par un décapage uniforme on enlève une épaisseur égale sur toute la surface du dispositif, cette épaisseur est au moins celle des parties 10 de la couche d'oxyde, de façon à mettre à nu le silicium monocristallin de la couche épitaxiale 8. Selon une variante de mise en oeuvre, on effectue une photogravure de la couche d'oxyde 1011, les fenêtres du masque photogravé correspondant aux parties 10 de la couche d'oxyde, situées audessus des canaux du dispositif. A travers les fenêtres ainsi ouvertes dans la couche d'oxyde, par l'une ou l'autre forme de mise en oeuvre, on diffuse à faible profondeur une impureté donnant le type de conductivité n de façon à former les régions 13, destinées à la prise de contact de source Il va de soi que, pour cette diffusion, la région 12 doit être préservée de toute introduction d'impuretés dopantes de type n (fig. lh). Il reste à ouvrir les surfaces de contact de grille et de source, en éliminant l'oxyde formé au cours des opérations précédentes sur les surfaces intéressées. Par une métallisation et une gravure de cette métallisation, on réalise les contacts de grille 14 et de source 15 (fig. li). - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur à effet de champ à canaux verticaux, comprenant un premier dépôt épitaxique, sur une plaquette monocristalline, de matériau semiconducteur d'un premier type de conductivité, une diffusion localisée d'une région de type de conductivité opposé constituant la grille du dispositif, et un second dépôt épitaxique du premier type de conductivité, caractérisé en ce que, après ledit premier dépôt, un dépôt localisé de prédiffusion destiné à ladite grille est effectué, ce dépôt est sélectivement recouvert d'une couche d'oxyde et ledit second dépôt épitaxique est effectué, le matériau croissant au-dessus dudit oxyde étant polycristallin, après quoi on procède à une oxydation profonde jusqu'à atteindre ladite grille, on élimine l'oxyde formé à partir de monocristal et une diffusion superficielle donnant le premier type de conductivité est effectuée dans les parties mises à nu du monocristal obtenu lors dudit second dépôt épitaxique. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dépôt de prédiffusion est localisé au moyen d'un masque formant barrière d'oxydation et ce masque est éliminé sélectivement après une oxydation thermique faite à travers ses fenêtres. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dépôt de prédiffusion est effectué par diffusion à forte concentration de dopant, à partir d'une phase vapeur. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dépôt de prédiffusion est obtenu par implantation ionique enterrant ledit dépôt à distance de la surface. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le recouvrement sélectif du dépôt de prédiffusion par une couche d'oxyde est réalisé en deux temps : une première couche est réalisée puis éliminée par décapage sélectif et une seconde couche est réalisée. 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 a 5, caractérisé en ce qu'!une diffusion localisée d'une région de contact de grille, dudit type opposé de conductivité, est effectuée sur ledit premier dépôt épitaxique avant le dépôt de prédiffusion destiné à la grille. 7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une diffusion localisée d'une région de sortie de contact de grille, dudit type opposé de conductivité, est effectuée sur le second dépôt épitaxique après ladite oxydation profonde et l'ouverture d'une fenêtre dans l'oxyde. 8.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, la plaquette monocristalline étant en silicium, le masque formant barrière d'oxydation est en nitrure de silicium. 9.- Dispositif semiconducteur à effet de champ à canaux verticaux dont la grille est constituée par une région diffusée enterrée entre deux couches épitaxiales de type de conductivité opposé à celui de la grille, caractérisé en ce que la grille est surmontée d'une couche localisée d'oxyde thermique, obtenue par oxydation d'un matériau polycristallin, selon un procédé conforme à l'une des revendications 1 à 8.