Brevet FR2460039A1 — publié le 19810116

La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de composants semiconducteurs et un composant obtenu par ce procédé. Elle trouve une application notamment dans la réalisation de transistors à couches minces (en abrégé T.C.M.) et de circuits utilisant des T.C.M. Un T.C.M. est un transistor à effet de champ à grille isolée. I1 s'apparente au transistor MOS (Métal Oxyde-Semiconducteur) avec cette différence qu'il est réalisé sur un substrat amorphe et non sur une plaquette de silicium monocristallin. En conséquence, les circuits à T.C.M. peuvent présenter de très grandes dimensions et ne sont plus limités par la taille du substrat cristallin. En pratique, un T.C.M. est obtenu par dépôt sous vide de ses différents constituants sur un substrat de verre. Chaque couche (semiconducteur, isolant, métal) est disposée à travers un masque métallique (type pochoir ou "Stencil-mask") en contact intime avec le substrat. Pour avoir une bonne définition des motifs, les dépôts sont réalisés par évaporation sous vide. Les matériaux à évaporer sont disposés dans des creusets chauffés par effet Joule ou par bombardement électronique. Le masquage in-situ exclut les dépôts en atmosphère gazeuse (pulvérisation cathodique, dépôt chimique par voie gazeuse etc...) à cause des phénomènes de gaines qui rendent flous les bords des motifs.Dans les meilleurs cas, un échangeur de masques sous vide permet de réaliser l'ensemble du T.C.M. (ou du circuit à T.C.M.) en un seul cycle de pompage, ce qui évite la pollution de la couche semiconductrice et de l'interface isolant-semiconducteur. A propos de cette technique et de ses applications, on pourra consulter l'article de A.G. FISCHER intitulé "Flat TV panels with polycristalline layers" publié dans la revue 11Microelectronics" vol 7, n04, 1976, pages 5 à 15. Cette technique de fabrication de T.C.M., si elle a comme principal avantage une rapidité d'exécution des cir cuits, présente l'inconvénient de ne pouvoir convenir qu'à des circuits de dimensions et de définition modestes. En effet, un masque métallique de haute définition et de grandes dimensions extérieures comporte un grand nombre de très petites ouvertures possède des propriétés mécaniques médiocres, se dilate, se déforme. Comme plusieurs masques sont nécessaires et comme les motifs doivent se superposer avec une grande précision, une limitation apparaît rapidement. On estime que cette méthode permet de réaliser des circuits de dimension hors tout de l'ordre d'une dizaine de centimètres et ne possédant pas plus de quatre transistors par millimètre carré. Ces performances modestes limitent les applications du T.C.M. Par ailleurs, cette technique impose que les couches constituantes du transistor soient disposées sur un substrat à température ambiante, afin d'éviter la dilatation des masques. Or, le dépôt semiconducteur qui est en général polycristallin, nécessiterait l'emploi d'une température de substrat plus élevée (quelques centaines de degrés) afin d'améliorer-la cristallisation. D'autres procédés de fabrication ont été mis au point, utilisant la photogravure partielle des couches. Ils ont l'inconvénient de polluer la couche semiconductrice dans sa partie active. On trouvera une description de ces procédés dans l'article de J.C. ERSKINE et A. CSERHATI intitulé "Cadmium selenide thin-film transistors" publié dans la revue "Journal of Vacuum Science Technology" vol. 15(6), Nov/Dec 1978, pages 1823 à 1835. La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de composants semiconducteurs et notamment de T.C.M., qui évite tous ces inconvénients. Le procédé de l'invention utilise le principe de la photogravure tout en conservant un des avantages du procédé décrit plus haut, à savoir la réalisation de toutes les couches constituantes du T.C.M. au cours d'un seul cycle de fabrication, ce qui évite la pollution des couches et des interfaces par des agents extérieurs. Mais, par rapport aux procédés connus, l'invention apporte les avantages suivants 1 - Le substrat peut être chauffé pendant le dépôt du semi conducteur, ce qui conduit à une amélioration de la cristallisation. 2 - La dimension du substrat peut être aussi grande que l'on veut, dans la limite de l'homogénéité des dépôts. 3 - Les techniques de dépôt ne sont plus limitées à l'évapo ration sous vide et l'on peut utiliser la pulvérisation cathodique, le dépôt chimique par voie gazeuse, etc... 4 - La définition des motifs est accrue par l'utilisation de masques photographiques de grande précision, déjà utili sés pour la réalisation des circuits intégrés. 5 - La complexité des circuits réalisés est plus grande et atteint celle des circuits intégrés. 6 - Le processus de photogravure décrit plus bas réalise l'auto-alignement de la grille sur le canal du T.C.M., ce qui supprime les capacités parasites grille-source et grille-drain. A cette fin, le procédé de l'invention comprend deux phases - A) dans une première phase - on introduit le substrat dans une enceinte à dépôts, - on effectue sur la totalité de ce substrat, et sans remise en contact avec l'atmopshère extérieure, un dépôt uniforme de quatre couches primaires successi ves : une première couche de matériau isolant de pro tection, une seconde couche de matériau semiconduc teur, une troisième couche de matériau isolant, d'épaisseur plus faible que la première couche, et enfin une quatrième couche d'un métal, - B) et, dans une seconde phase - on retire de l'enceinte à dépôts le substrat recou vert de ces quatre couches, - on soumet les trois dernières couches à des opéra tions de photogravure et de dépôts annexes, opéra tions appropriées à la structure du composant à obtenir. De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente une coupe schématique du substrat obtenu après la première phase, - la figure 2 représente une coupe schématique de la structure obtenue à divers stades de la deuxième phase. La description qui suit se réfère à titre purement explicatif à la réalisation de T.C.M., mais il va de soi que l'invention est plus générale et s'applique à tout composant ou groupe de composants faisant intervenir des couches d'isolant, de semiconducteur et de métal déposées sur un substrat amorphe. La figure 1 représente en coupe schématique (ni les proportions, ni les dimensions ne sont respectées) un substrat 1 sur lequel sont déposées : une couche épaisse 2 de matériau isolant, une couche 3 de semiconducteur, une couche mince 4 d'isolant et enfin une couche métallique 5. Les conditions opératoires relatives à cette première phase peuvent être les suivantes Le substrat 1 sur lequel on veut réaliser le circuit à T.C.M. est d'abord introduit dans une enceinte à dépôts. Quatre dépôts successifs sont réalisés, sans remise en contact avec l'atmosphère extérieure 1 - Dépit de la couche épaisse isolante 2. Pour protéger le circuit des impuretés pouvant être contenues dans le substrat, on dépose tout d'abord, après dégazage, une couche isolante épaisse 2. Cette couche servira de barrière pour les ions alcalins qui pourraient diffuser dans le semiconducteur et le détériorer. On peut utiliser par exemple, une couche d'alumine déposée par évaporation de saphir au canon à électrons. 2 - DéPôt du film semiconducteur 3. Pour cette opération, on porte le substrat à une température aussi haute que possible (en général un peu au-dessous de 5000C si le substrat est en verre). Dans l'exemple décrit ici, le semiconducteur est du Séléniure de Cadmium -CdSedéposé par évaporation sous vide. La température du substrat est maintenue à 40O0C pendant le dépôt. 3 - DéPôt de la couche mince isolante 4. L'isolant de grille est ensuite disposé. De ses qualités diélectriques dépend le pouvoir de modulation de la grille. Son épaisseur déterminera la tension de claquage du transistor. Dans l'exemple décrit ici, on utilise une couche mince d'alumine préparée comme en 1). 4 - Dépôt du métal de grille 5. On peut utiliser le molybdène évaporé au canon à électrons. A ce stade, les dépôts peuvent subir un traitement thermique approprié : recuit sous vide ou en atmosphère spéciale. Après retrait de l'enceinte à dépôts, le substrat, sur lequel on vient de déposer les quatre couches primaires est ensuite soumis aux opérations de photogravure et de dépôts annexes propres à la deuxième phase. La photogravure consiste à utiliser une résine photosensible, sensibilisée à la lumière ultra-violette, à travers un masque photographique reproduisant le dessin désiré. Après développement et durcissement de la résine, les parties découvertes sont éliminées par gravure chimique. Après gravure, la couche protectrice de résine peut être facilement enlevée par dissolution dans un solvant approprié. Cette technique est couramment utilisée dans la fabrication des circuits intégrés et des transistors, mais ici, les étapes du processus de fabrication sont différentes et originales. Elles sont illustrées sur la figure 2, qui montre huit coupes a, b, c, d, e, f, g, h, correspondant aux huit phases suivantes a) Photogravure de la couche métallique 5 et de la couche isolante 4 à l'aide d'un premier masque. Cette première photogravure réalise des fenêtres 6 et 7 sur le semicon ducteur et délimite les grilles 8 des T.C.M. Dans l'exemple décrit ici, le molybdène et l'alumine non pro tégés par la résine sont attaqués sélectivement par im mersion dans dessolutions acides. b) Dépôt d'un métal diffusant 10 et diffusion de celui-ci par recuit. Cette diffusion rend conductrices les par ties 11 et 12 du semiconducteur 3 dégagées en a) ; le métal diffusant peut être de l'aluminium ou du chrome, et diffuser vers 4000C. c) Elimination du métal en excès par attaque chimique, la quelle doit être sélective, puisqu'elle doit laisser in tact le métal de grille 5. d) A l'aide d'un deuxième masque, photogravure de la couche semiconductrice afin de créer des fenêtres 14 et 15 qui isolent les composants sur le substrat. Dans l'exemple pris, le séléniure de cadmium peut être éliminé par une solution de brome-méthanol. e) Dépôt d'un isolant épais 16, différent des isolants 1 et 4. I1 peut s'agir de SiO2 par exemple. f) A l'aidé d'un troisième masque et d'une attaque chimique sélective, ouverture de fenêtres 18, 19 et 20 dans l'isolant épais, pour pouvoir venir prendre des contacts sur la grille 8, la source 11 et le drain 12 de chaque transistor. g) Dépôt d'une couche 21 de métal de contacts. Ce métal peut être l'aluminium par exemple. h) A l'aide d'un quatrième masque, photogravure des contacts. On obtient alors le contact 23 de la grille, 24 de la source et 25 du drain. Le procédé de fabrication qui vient d'être décrit, par les avantages qu'il procure, étend le champ d'application du T.C.M. La possibilité de réaliser des circuits de grandes dimensions (la limite est imposée par l'homogénéité des dépôts et la capacité de l'aligneur de masque, mais on péut d'ores et déjà envisager la réalisation de circuits de plusieurs décimètres carrés) permet de concevoir des circuits de commande d'écrans plats, directement sur le support de l'écran, ce qui résout les problèmes de connectique. La haute résolution de la photogravure autorise la réalisation -de circuits complexes (registre à décalage, mémoires, circuits de multiplexage, etc...) et rend possible la réalisation de circuits associés aux matrices de visualisation ou aux têtes de télécopie (lecture/restitution). REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de composants semiconducteurs sur un substrat amorphe, caractérisé en ce que - A) dans une première phase : - on introduit le substrat dans une enceinte à dépôts, - on effectue sur la totalité de ce substrat, et sans remise, en contact avec l'atmosphère extérieure, un dépôt uniforme de quatre couches primaires successi ves : une première couche de matériau isolant de pro tection, une seconde couche de matériau semiconduc teur, une troisième couche de matériau isolant, d'épaisseur plus faible que la première couche, et enfin une quatrième couche d'un métal, - B) et, dans une seconde phase : - on retire de l'enceinte à dépôts le substrat recouvert de ces quatre couches, - on soumet les trois dernières couches à des opé rations de photogravure et de dépôts annexes, opéra tions appropriées à la structure du composant à obte nir. 2. Procédé selon la revendication 1, pour la réalisation de transistors à couches minces comprenant chacun un drain, une source et une grille, caractérisé en ce que, dans la deuxième phase - par une première opération de photogravure à travers un premier masque, on ouvre à travers la quatrième couche de métal et la troisième couche d'isolant deux ouvertures pour chaque transistor, la partie métalli que subsistant entre ces deux ouvertures constituant la grille du transistor, - on dépose une couche de métal diffusant sur l'en semble du substrat, puis, par attaque chimique sélec tive, on élimine ce second métal, ce qui laisse sub sister dans le semiconducteur deux zones conductrides constituant, l'une le drain et l'autre la source du transistor. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à l'aide d'un deuxième masque, on effectue ensuite une photogravure du semiconducteur pour réaliser la séparation des transistors les uns des autres. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue ensuite, sur l'ensemble, un dépôt d'un isolant épais différent de l'isolant utilisé pour la première et/ou la troisième couche, puis, à l'aide d'un troisième masque, on réalise l'ouverture d'une fenêtre dans cet isolant épais en face de la grille, du drain et de la source. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on effectue ensuite un dépôt d'une couche de métal de contact sur l'ensemble puis, à l'aide d'un quatrième masque, on réalise la photogravure de cette couche pour obtenir un contact de grille, un contact de drain et un contact de source. 6. Composant à semiconducteur obtenu par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5.