Brevet FR2461360A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne le domaine des dispositifs à semi conducteurs tels que les transistors à effet de champ du type "double diffusé MOS" connus sous le nom de "DMOS à fonction- nement vertical" et destinés à être utilisés pour l'amplification de puissance ou la commutation et plus particulièrement un procédé de fabrication de ce type de transistors ainsi que le transistor obtenu par ce procédé. Les transistors à effet de champ ont à ce jour été utilisés principalement comme micro-composants dans les circuits intégrés. La structure de tels circuits était principalement constituée d'éléments symétriques isolés les uns des autres et de performan- ces électriques adaptées au compromis rapidité consommation recher- ché en général. Cependant les caractéristiques propres des transistors à effet de champ, temps de coupure faible, linéarité, grande stabi- lité thermique, permettent d'envisager un champ d'application accru de ces transistors réservé jusqu'à ce jour aux transistors bipolaires notamment dans le domaine de l'amplification, de la commutation rapide et de la commutation ou commande de puissance. Les transistors DMOS à fonctionnement vertical tels que représentés en coupe figure 1 comportent sur une plaquette de matériau semiconducteur 1, tel que du silicium, une structure formée de doigts parallèles 41 formant la grille du transistor, la grille étant isolée de la plaquette de matériau semiconduc- teur par une couche d'oxyde de silicium 2. Les doigts parallèles 41 sont constitués par du silicium polycristallin. La plaquette de matériau semiconducteur 1 comporte,entre les doigts formant la grille,des zones imbriquées 6 et 8 formant respectivement les zones de formation de canal et régions de sources du transistor. A titre d'exemple, la plaquette de. silicium a un type de conduc- tivité N, les zones de formation de canal 6 sont diffusées de type P et les régions de source 8 sont dopées N La plaquette de silicium comporte également une région de drain 120 de type de conductivité N+et une métallisation 9 isolée des doigts de grille 41par une couche d'oxyde de silicium 5 développée par croissance thermique à partir du silicium polycristallin formant des doigts de grille 41. La métallisation 9 forme la connexion des régions de source. Ainsi que représenté figure 1, la structure, relativement ce type de transistor, se développe sous forme de doigts perpen- diculaires au plan de cette coupe. Pour une dimension donnée de ces doigts selon une direction perpendiculaire au plan de cette coupe-, la conductance par unité de surface de tels dispositifs est inversement proportionnelle au pas p du réseau de doigts imbriqués. Ce pas s'écrit p = G + S + 2a o G est la dimension latérale de chaque doigt, S la dimension latérale du contact de source et a la tolérance de positionnement du contact de source par rapport à l'électrode de grille. Dans les transistors de ce type, la conductance par unité de surface est proportionnelle à la dimension latérale de la zone de formation de canal constituée par les diffusions. Pour une structure imbriquée, la dimension latérale de la zone de formation de canal croit lorsque le pas P de la structure décroit, la conductance par unité de surface étant, dans ce cas, limitée notamment par l'existence de la tolérance de positionnement a du contact par rapport à la grille. Le procédé selon l'invention a pour but la mise en oeuvre d'un -transistor à effet de champ dont les tolérances de position- nement du contact de source sont sensiblement supprimées. Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre d'un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ permettant un contrôle amélioré des dopages de la région de source. Un autre but de la présente invention est la mise en oeuvre par le procédé précité d'un transistor du type DMOS à fonctionne- ment vertical particulièrement adapté à la commutation de puissance. Le procédé selon l'invention consiste, à partir d'une pla- quette de silicium d'un premier type de conductivité comprenant une première face principale et une deuxième face opposée à cette première face, la zone de la plaquette située au voisinage de la deuxième face présentant une conductivité de même type et supé- - rieure à la conductivité de la plaquette constituant le drain du transistor, à effectuer les étapes de traitement ci-après: - formation par croissance thermique d'une première couche d'oxyde de silicium d'épaisseur déterminée sur la première face du substrat, 3 2461360 - formation sur cette première couche d'oxyde de silicium d'une couche de nitrure de silicium, - dépot sur cette couche de nitrure de silicium d'une couche de silicium polycristallin dopé et ouverture de cette couche par masquage et attaque chimique pour former les électro- des de grille du transistor, - formation par implantation ionique, au moyen du masque formé par les électrodes de grille, d'un dopant de type de conductivité opposé à celui de la plaquette, - chauffage pour développer, à partir du silicium poly- cristallin constituant les électrodes de grille, une deuxième couche d'oxyde de silicium d'épaisseur plus grande que celle de la première couche et pour faire diffuser le dopant et consti- - tuer dans la plaquette de silicium des zones de type de conductivi- té opposé à celui de la plaquette, - attaque sélective de la couche de nitrure de silicium et attaque de l'oxyde de silicium sur une épaisseur correspondant a celle de la première couche pour mettre à nu la plaquette, - dépôt d'une deuxième couche de silicium polycristallin dopé selon le même type de conductivité que celui de la zone de la plaquette constituant le drain du transistor, - chauffage pour faire diffuser le dopant de la deuxième couche de silicium polycristallin dans les portions sous-jacentes de la plaquette pour constituer les zones de source du transistor. - ouverture de la deuxième couche de silicium polycristal- lin par masquage pour les connexions de grille ét de canal du transistor. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet d'obtenir un transistor à effet de champ à grille isolée du type DMOS à fonctionnement vertical de puissance dans lequel l'élec- trode de grille est séparée de la première face principale de la plaquette de silicium par une couche d'oxyde de silicium et par une couche de nitrure de silicium superposées, l'électrode de grille étant disposée directement sur la couche de nitrure de silicium, la connexion reliant électriquement chaque région de source étant constituée par l'intermédiaire d'une couche de silicium polycristallin dopé de même type de conductivité que les régions de source du transistor. Le transistor à effet du champ selon l'invention peut être utilisé pour la commutation ou l'amplification de puissance, la conductance par unité de surface étant accrue de l'ordre de % par rapport aux structures antérieures. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la descrip- tion et des dessins ci-après o les mêmes références représen- tent les mêmes éléments et dans lesquels outre la figure 1 repré- sentant un schéma relatif à une structure de transistor DMOS de l'art antérieur, - la figure 2 représente en 2a, 2b, 2c, 2d, 2e et 2f des vues en coupe de la plaquette de silicium après différentes éta- pes du procédé selon l'invention, - les figures 3a, 3b, 3c représentent respectivement un mode de réalisation particulier du transistor à effet de champ selon l'invention dans lequel à titre d'exemple, ont été repré- sentées trois régions de source. - les figures 3b, 3c représentent respectivement une coupe transversale selon C D et une coupe longitudinale selon A B du mode de réalisation représenté figure 3a. La figure 2 représente, suivant les principales étapes référencées a à f, les procédés de fabrication d'un transistor DMOS à fonctionnement vertical selon l'invention. Le procédé de fabrication sera décrit conformément à la figure 2 à partir d'une plaquette de silicium 1 d'un premier type de conductivité de type N par exemple. Tout autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention à partir d'une plaquette de silicium de conduc- tivité de type P ne sort pas du cadre de la présente invention. La plaquette de silicium 1 comporte une première face principale 11 et une deuxième face opposée à cette première face 12. La zone située au voisinage de la deuxième face présente une conduc- tivité de même type et supérieure à la conductivité de la plaquet- te et constitue le drain du transistor. Selon la figure 2, la zone 120 située au voisinage de la deuxième face est de type Ne. Le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes: A l'étape a figure 2, une première couche d'oxyde de silicium 2 est formée par croissance thermique. Cette couche d'oxyde de silicium est formée sur la première face 11 de la plaquette selon deux épaisseurs différentes, l'une forte, de 1'.ordre de 1 p à la périphérie de la plaquette, l'autre faible, de l'ordre de 0, 1 p, dans la région active de l'élément. A l'étape b, est formée sur la première couche d'oxyde de silicium 2 une couche de nitrure de silicium 3. La couche de nitrure de silicium 3 est elle même recouverte, par dépôt îo sur cette couche, d'une couche de silicium polycristallin dopé 4. Les épaisseurs relatives des couches d'oxyde de silicium et de nitrure de silicium sont choisies de façon à minimiser les contraintes mécaniques et les variations de la tension de seuil du transistor pouvant résulter d'un blocage de la grille. A titre d'exemple, pour une épaisseur d'oxyde de silicium de 100 nanomètres, une couche de nitrure de silicum de 50 nanomètres est suffisante. L'épaisseur de la couche de silicium polycris- tallin 4 est choisie de façon à assurer la croissance d'oxyde thermique permettant d'isoler ultérieurement les électrodes de grille et de manière à présenter une résistance par unité de surface assez faible pour ne pas réduire le temps de commu- tation du transistor. La couche de silicium polycristallin 4 est ensuite ouverte par masquage et par attaque chimique en vue de former les électrodes de grille du transistor. A l'étape c, la couche de silicium polycristallin 4 a été représentée ouverte après attaque chimique, les électrodes de grille étant référencées 41. A l'étape c, sont formées des zones d'implantation 110 par implantation ionique d'un dopant de type de conductivité opposé à celui de la plaquette au moyen du masque formé par les électrodes de grille 41. A titre d'exem- ple, conformément à la figure 2, le dopant implanté est du bore. L'implantation est effectuée avec une énergie suffisante pour traverser les couches d'oxyde de silicium 2 et de nitrure de silicium 3. A l'étape d, a été développée par chauffage à partir du silicium polycristallin constituant les électrodes de grille une deuxième couche d'oxyde de silicium 5 d'épaisseur plus grande que celle de la première couche 2. Simultanément, le dopant implanté dans les zones d'implantation 110 constitue dans la plaquette de silicium par diffusion des zones de type de conductivité opposé à celui de la plaquette. Ces zones sont référencées 6 après l'étape d et sont des zones de conductivité du type P selon l'exemple de la figure 2. La deuxième couche d'oxyde de silicium 5 a pris naissance à la surface des électrodes de grille 41 alors que l'oxydation de la plaquette et la croissance de la première couche d'oxyde de silicium 2 étaient interdites par la barrière de nitrure de silicium 3. A l'étape e, la couche de nitrure de silicium 3 puis la couche d'oxyde de silicium ont été attaquées successivement de manière sélective et sans étape de masquage supplémentaire, de manière à mett.ze à nu la plaquetteentre les électrodes de grille. Une fois la couche de nitrure attaquée, on procéde à l'attaque de la couche d'oxyde de silicium 2 en utilisant la couche de nitrure de silicium 3 comme masque. Durant cette attaque, les régions oxydées 5 des élec- trodes de grille non protégées par le nitrure de silicium seront également attaquées. Il est cependant possible de limiter le temps d'attaque de la couche d'oxyde!:,de silicium 2 à éliminer au minimum nécessaire et d'assurer un compromis entre épaisseur relative de la première couche d'oxyde de silicium 2 à éliminer et fraction de la couche d'oxyde de silicium polycristallin 5 à conserver. L'attaque successive de la première couche d'oxyde de silicium et de la couche de nitrure de silicium est suivie d'un dépôt d'une deuxième couche de silicium polycristallin dopé 7 de même type de conducti- vité que celui de la zone de la plaquette constituant le drain du transistor. Selon l'exemple de réalisation non limitatif de la figure 2, la deuxième couche de silicium polycristallin est dopée + N. Au cours de cette étape, dans les parties de la plaquettes qui ne portent pas de grille, on effectuera une réservation par un masque de résine pour établir une prise de contact localisée avec la zone de formation de canal. Ceci n'est pas visible en figure 2e mais apparaîtra notamment en relation avec les figures 3b et 3c. A l'étape f, un chauffage a permis de faire diffuser le dopant de la deuxième couche de silicium polycristal- lin 7 dans les portions sous-jacentes de la plaquette pour - 246 1360 constituer les zones de source 8 du transistor. Les zones de formation de canal du transistor sont délimitées d'une part par la zone de diffusion des zones d'implantation et d'autre part par la zone de diffusion du dopant de la deuxième couche de silicium polycristallin 7. Une étape d'ouverture de la deuxième couche de silicium polycristallin permet par un masquage dont la tolérance de positionnement n'est pas critique d'effec- tuer les connexions de grille et de canal du transistor. La première couche de silicium polycristallin 4 peut sans inconvé- nient être dopée N + ou P, la nature du dopant N ou P interve- nant uniquement compte tenu de la différence des niveaux de Fermi correspondants pour la valeur de la tension de grille appliquée au transistor pour assurer le fonctionnement de celui-ci. La première couche de silicium polycristallin 4 peut être dopée soit durant le dépot, soit après dépot, ce dépot pouvant être effec- tué à basse pression par décomposition de silane à température voisine de 600 degrés. Selon un mode de réalisation particulier du procédé objet de l'invention, l'étape d'ouverture de la deuxième couche de silicium polycristallin 7 est précédée d'un dépot d'une troisième couche d'oxyde de silicium 10 dopé selon un même type de conductivité que celui de cette deuxième couche de silicium polycristallin. Selon l'exemple de la figure 2, la troisième couche d'oxyde de silicium est dopée avec du phosphore. Cette couche est ensuite fluée à température élevée avant ouver- ture des contacts au droit des régions de source, de formation de canal et de grille. Un fluage à température élevée de la troisième couche d'oxyde de silicium permet d'araser les arêtes vives des ouvertures de contact au droit des régions de source de canal et de grille. Ces régions sont ensuite connectées par le biais de métallisations 9. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir des transistors à effet de champ de conductance par unité de surface très améliorée du fait de l'utilisation à deux reprises de procé- dés d'auto-alignement des contacts permettant de supprimer les tolérances de positionnement les plus critiques. En effet, un premier autoalignement des électrodes de grille par rapport à la zone de formation de canal est obtenu du fait de l'utilisation des électrodes de grille comme masque d'implantation. Un deuxième auto-alignement des contacts et de la région de source du tran- sistor par rapport à l'électrode de grille permet notamment de supprimer la tolérance de positionnement des contacts de source par rapport à cette grille, à l'épaisseur d'oxyde de silicium près isolant les électrodes de grille, du fait de la constitu- tion des zones de source par diffusion à partir de la deuxième couche de silicium polycristallin, les électrodes de grille étant à nouveau utilisées comme masque. Le procédé utilisé permet d'obtenir la plus forte dimension latérale de canal par unité de surface possible. Dans le cas d'une structure à sources et grilles imbriquées, des pas de 10 microns sont réalisables avec des techniques de photogravure optique classiques. Dans le cas de réalisation de transistors de grande puissance, une disposition en double couche des électrodes de source et de grille permet une interconnexion aisée entre les différentes- électrodes. Pour des éléments travaillant sous faible tension, il est encore possible de réduire le pas en réduisant la largeur de grille. On peut ainsi obtenir avec des procédés de photogra- vure plus adaptés des pas de l'ordre de 5 microns. Une telle technique permet un gain en conductance par unité de surface d'un facteur 5 par rapport aux éléments actuels et est suscepti- ble d'autoriser des performances supérieures à celles des élé- ments bipolaires. La figure 3a représente suivant une vue de dessus un transistor à effet de champ à grille isolée selon l'invention. Les figure 3b, 3c représentent respectivement une coupe trans- versale selon C D de la figure 3a et une coupe longitudinale selon A B de cette même figure. Le mode de réalisation d'un transistor à effet de champ selon l'invention représenté figure 3a, à 3c, est donné à titre d'exemple, l'exemple concernant une structure du type imbriqué ne comportant que trois doigts pour raison de simplicité. Dans cet exemple le transistor sera décrit dans le cas o la plaquette de silicium est une plaquette de silicium dopé de type N. Tout mode de réalisation dans lequel la plaquette de silicium est une plaquette de silicium dopé de type P par exemple ne sort pas du cadre de la présente invention. Le transistor à effet de champ selon l'invention comporte dais une plaquette de silicium 1 d'un premier type de conducti- vité comprenant une première face 11 et une deuxième face opposée 12 une région de drain 120 située au voisinage de la deuxième face et de conductivité supérieure et du même type que la con- ductivité de la plaquette. Le transistor comporte au moins deux zones imbriquées affleurant à la surface de la première face 1l et comportant chacune une première et une deuxième zone de conductivité respectivement de même type et de type opposé au type de conductivité de la plaquette. Sur les figures 3a,3b,3c, les première et deuxième zones de même type de conductivité et de type de conductivité opposé à celui de la plaquette sont référencées respectivement 8 et 6. La deuxième zone 6 sépare la- première zone 8 de la région de drain 120 pour chaque zone imbriquée. Chaque première zone 8 constitue une région de source du transistor. La première face de la plaquette 11 comporte, dis- posée entre chaque région de source de transistor, une électrode de grille de silicium polycristallin dopé 41 recouverte d'une couche d'oxyde de silicium 5. L'électrode de grille 41 est sépa- rée de la première face de la plaquette de silicium 11 par une couche d'oxyde de silicium 2 et par une couche de nitrure de silicium 3 superposées. L'électrode de grille est disposée direc- tement sur la couche de nitrure de silicium. La connexion 9 reliant électriquement chaque région de source est constituée par l'intermédiaire d'une couche de silicium polycristallin dopé 7 de même type de conductivité que les régions de source du tran- sistor. Selon le mode de réalisation des figures 3a à 3c on dis- tingue sur ces figures un anneau de garde 30 de type P., non connecté conformément au mode de réalisation des figures 3a à 3c et représenté par un seul anneau. Cet anneau de garde peut en fait être constitué d'une série d'anneaux concentriques dans le cas de dispositifs fonctionnant à tension très élevée. La grille du transistor 41 forme un cadre dans lequel la zone de formation de canal 6 en forme de E est inscrite. Cette zone de formation de canal est diffusée de type P dans la plaquette de silicium. Les régions de source 8 dopées N+ selon le mode de réalisation des figures 3a à 3c forment des doigts latéralement alignés sur le bord de la grille 41. Les régions de source 8 sont réunies par une deuxième couche de silicium polycristallin7 à. partir de laquelle les régions de sources ont été formées par diffusion. La deuxième couche de silicium polycristallin 7 est isolée de la grille 41 par une couche d'oxyde de silicium 5 obtenue par oxydation du silicium polycristallin constituant cette grille. La couche de silicium polycristallin 7 ne recouvre pas la partie de la zone de formation de canal qui sera utilisée pour la prise de contact de la région de canal. Les connexions 13 du canal et 9 de la source sont représentées, isolées mais peuvent être réunies, notamment lorsque le transistor est utilisé comme composant discret. La grille 41 est connectée par la connexion 15, soit vers une sortie, soit vers une diode de pro- tection qui peut être diffusée sur la même plaquette de silicium_ Cette diode, non représentée peut être réalisée avec la diode source-canal du transistor et localisée par exemple à la péri- phérie de la plaquette de silicium. La structure du transistor représentée figure 3a, ne comporte que trois doigts de sources, l'obtention de transistors à conductance élevée pouvant, sans sortir du cadre de la présente invention, être obtenue par disposition en parallèle de plusieurs sources à l'intérieur d'un même cadre de grille. Le nombre de sources en parallèle ainsi que la longueur des doigts sont déterminés par la résistance limite admise pour le canal et la grille du dispositif. Dans le cas de la mise en oeuvre de transistors à effet de champ du type intégré, conformément au procédé selon l'invention, le contact de drain est pris sur la face avant ou première face de la plaquette par le biais d'une diffusion profonde et d'une couche enterrée conformément à la technique des circuits intégrés bipolaires. Dans le cas d'une réalisation conformément aux figures 3a à 3c, la diffusion profonde et la couche enterrée sont de type N+. De même chaque région de source de conductivité du type N+ est par exemple dopée à l'arsenic ou au phosphore. Dans les transistors à effet de champ selon l'invention, le contact sur les régions de source est établi par l'intermédiaire de la deuxième couche de silicium polycristallin. La présence de silicium polycristallin entre les régions de source et les métal- lisations de contact permet d'éviter la migration du silicium de la source dans les métallisations de contact et assure une meilleure tenue du contact en fonctionnement à forte puissance. Le transistor à effet de champ ainsi décrit peut être protégé par une couche de passivation et complété par des bossages métalliques permettant d'assurer les connexions à des circuits extérieurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ du type DMOS à fonctionnement vertical, à partir d'une plaquette de silicium de premier type de conductivité comprenant une première face - principale et une deuxième face opposée à cette première face, la zone de la plaquette située au voisinage de la deuxième face présentant une conductivité de même type et supérieure à la conductivité de la plaquette et constituant le drain du tran- sistor, comportant les étapes suivantes: - formation par croissance thermique d'une première couche d'oxyde de silicium d'épaisseur déterminée sur la première face de la plaquette, - formation sur la première couche d'oxyde de silicium d'une couche de nitrure de silicium, - dépôt, sur la couche de nitrure de silicium, d'une couche de silicium polycristallin dopé et ouverture de cette couche par - masquage et attaque chimique pour former les électrodes de grille du transistor, - formation de zones d'implantation par implantation ionique d'un dopant de type de conductivité opposé a celui de la plaquette au -moyen du masque formé par les électrodes de grille, - chauffage pour développer, à partir du silicium polycristallin constituant les électrodes de grille, une deuxième couche d'oxyde de silicium d'épaisseur plus grande que celle de la première couche et pour faire diffuser le dopant implanté et constituer dans la plaquette de silicium, des zones de type de conductivité, opposé à celui de la plaquette, - attaque sélective de la couche de nitrure de silicium et attaque de l'oxyde de silicium sur une épaisseur correspondant à celle de la première couche d'oxyde de silicium pour mettre à nu la plaquette,- - dépôt d'une deuxième couche de silicium polycristallin dopé de même type de conductivité que celui de-la zone de la plaquette constituant le drain du transistor, - chauffage pour faire diffuser le dopant de la deuxième couche de silicium polycristallin dans les portions sous- jacentes de la plaquette pour constituer les zones de source du transistor. - 2461360 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaquette de silicium est de conductivité de type N, la zone de la plaquette située au voisinage de la deuxième face constituant le drain du transistor présentant une conductivité de type N+, le dopant implanté constituant des zones de conductivité de type P, la deuxième couche de silicium polycristallin étant dopée N+. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première couche de silicium polycristallin est dopée N+. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lo première couche de silicium polycristallin est dopée P. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la deuxième couche de silicium polycristallin est dopée à l'arsenic. 6. Transistor à effet de champ à grille isolée du type DMOS à fonctionnement vertical comportant dans une plaquette de silicium d'un premier type de conductivité comprenant une première face et une deuxième face opposée à la première face, une région de drain située au voisinage de la deuxième face et de conductivité supé- rieure et de même type que la conductivité de la plaquette, au moins deux zones imbriquées affleurant à la surface de la première face et comportant chacune une première et une deuxième zone de conductivité respectivement de même type et de type opposé au type de conductivité de la plaquette, la deuxième zone séparant la première zone ou région de source de la région de drain pour chaque zone imbriquée, la première face de la plaquette compor- tant, disposée entre chaque région de source du transistor, une électrode de grille de silicium polycristallin dopé recouverte d'une couche d'oxyde de silicium, caractérisé en ce que l'élec- trode de grille est séparée de la première face de la plaquette de silicium par une couche d'oxyde de silicium et par une couche de nitrure silicium superposées, l'électrode de grille étant disposée directement sur la couche de nitrure de silicium, la connexion reliant électriquement chaque région de source étant constituée par l'intermédiaire d'une couche de silicium poly- cristallin dopé de même type de conductivité que les régions de source du transistor. 7. Transistor selon la revendication 6, caractérisé en ce que la 246.1360 plaquette de silicium est de conductivité de type N, la zone de la plaquette située au voisinage de la deuxième face constituant le drain du transistor présentant une conductivité de type N chaque région de source étant de conductivité de type N+. 8. Transistor selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la connexion de chaque région de source du transistor est constituée par l'intermédiaire d'une couche de silicium poly- cristallin dopé N. 9. Transistor selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que chaque région de source du transistor est dopée à l'arsenic et au phosphore.