Brevet FR2463825A1 — publié le 19810227

La présente invention concerne un procédé de fabri- cation d'un dispositif à semiconducteur,et plus particuliè- rement un procédé de fabrication de matières semiconductri- ces monocristallines comportant une couche épitaxiale simu- lée formée par implantation ionique. L'utilisation de couches épitaxiales dans la fabri- cation de dispositifs à semiconducteur et de circuits inté- grés s'est généralisée dans l'industrie depuis que les dispo- sitifs de ce genre sont fabriqués commercialement. On utili- se divers procédés pour former des couches épitaxiales. Dans un procédé communément appliqué, on commence par préparer soi- gneusement la surface du substrat pour éliminer les impuretés à l'échelle atomique et obtenir une surface cristallographi- quement orientée ayant un degré exceptionnel de planéité. Toutefois, même si l'on prépare la surface très soigneusement, la croissance initiale d'une couche épitaxiale est souvent caractérisée par des dislocations réticulaires et d'autres im- perfections. Après une préparation appropriée de la surface, on développe la couche par un procédé de dépôt de vapeur. On peut réaliser le dépôt de silicium à l'état de vapeur en ré- duisant par l'hydrogène le tétrachlorure de silicium, le tri- chlorosilane ou le silane à des températures d'environ 10000C. Les débits et les proportions des réactifs sont habituellement très critiques ainsi qu'un réglage précis de la température pendant le processus de dépôt. En outre, il est essentiel de régler avec soin les densités de dopant introduites pendant le dépôt épitaxial. Etant donné la nature délicate du procédé de dépôt de vapeur, les rendements obtenus dans la fabrication de pastil- les épitaxiales tendent à être faibles, en grande partie à cause d'imperfections du réseau cristallin et du manque d'uni- formité d'épaisseur de la couche épitaxiale d'une pastille à l'autre et d'un point à l'autre sur une même pastille. Pour cette raison, le coût des pastilles épitaxiales tend à 9tre relativement élevé. Etant donné que les pastilles épitaxia- les sont les matières premières à partir desquelles on fabri- que des dispositifs à semiconducteur et des circuits inté- grés, le coût des produits finals est également-accru. En outre, il existe dans l'industrie une tendance à utiliser des couches épitaxiales plus minces. On a besoin, depuis quelque temps, d'épaisseurs épitaxiales de quelques microns ou moins. Toutefois, il est difficile de réaliser par des techniques de dépôt de vapeur des couches épitaxiales uniformes aussi minces et on n'arrivera peut-être jamais à réaliser par des procédés classiques des couches épitaxiales de 1 gNm d'épaisseur. La présente invention a donc pour objet - un procédé de fabrication d'un dispositif à semi- conducteur dans un corps semiconducteur comportant une cou- che épitaxiale simulée; - un procédé de formation d'une couche épitaxiale si- mulée sur un corps semiconducteur dans lequel il n'est plus nécessaire de régler avec précision les débits, les propor- tions de réactifs et les densités de dopant, ainsi qu'il est normalement nécessaire dans les procédés commerciaux de dé- p8t de vapeur; - un procédé de formation d'une couche épitaxiale simulée sur un corps semiconducteur par un procédé utilisant l'implantation ionique; - un procédé de fabrication d'une couche épitaxiale simulée sur un corps semiconducteur qui peut être mis en oeu- vre sur des appareils d'implantation ionique commerciaux; - un procédé de formation d'un corps semiconducteur comportant une couche épitaxiale simulée qui est notablement moins coûteux qu'un produit correspondant fabriqué par des procédés classiques; - un procédé de formation d'une couche épitaxiale simulée sur un corps semiconducteur dans lequel on peut ré- gler avec précision l'uniformité et l'épaisseur de la couche épitaxiale simulée; - un procédé de formation d'une couche épitaxiale si- mulée sur un corps semiconducteur pouvant avoir une épaisseur de quelques microns ou moins; - un procédé permettant de former une couche épita- xiale simulée sur un corps semiconducteur sans qu'il soit nécessaire de préparer avec soin la surface du substrat; - un procédé permettant de fabriquer dans un corps semiconducteur une couche épitaxiale simulée ayant une pro- fondeur plus uniforme, une densité de dopant plus uniforme et un plus haut degré de perfection cristallographique qu'il n'est possible normalement par les procédés commerciaux an- térieurs. Selon la présente invention, on propose un procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteur dans un corps se- miconducteur d'un type de conductivité donné.Le procédé con- siste à former une couche épitaxiale simulée d'une épaisseur donnée en dessous de la surface du corps semiconducteur. Pour former la couche épitaxiale simulée, on implante dans le corps des impuretés d'un type déterminateur de conductivité opposé au type de conductivité du corps, à une profondeur, en des- sous de la surface du corps, qui est inférieure à l'épaisseur désirée de la couche épitaxiale simulée. Ensuite, on chauffe le corps semiconducteur à une température supérieure à celle o il se produit une diffusion notable des impuretés implan- tées. On met fin à l'application de chaleur une fois que les impuretés implantées ont diffusé, sous la surface du corps semiconducteur, à une distance approximativement égale à l'é- paisseur désirée de la couche épitaxiale simulée. On dope a- lors des zones déterminées de la couche épitaxiale simulée pour modifier leur conductivité et former des régions de sour- ce et de drain au sein de la couche épitaxiale simulée. On forme une couche isolante à la surface du corps semiconduc- teur, au-dessus de la couche épitaxiale simulée, en un point situé entre les régions de source et de drain. Ensuite, on métallise des zones situées.respectivement, au-dessus de la région de la source, de la région de grain et de la couche isolante, pour former des électrodes. Il est préférable de réparer les dommages du réseau et d'activer les impuretés implantées avant de chauffer le corps semiconducteur pour diffuser l'impureté implantée. Dans ce mode d'exécution, le procédé comporte une étape sup- plémentaire de chauffage dans laquelle on chauffe le corps semiconducteur à une température inférieure à celle o il se produit une diffusion notable des impuretés implantées, pour réparer les dommages du réseau et activer les impuretés im- plantées. De préférence, l'implantation des impuretés s'effec- tue à travers une mince couche d'oxyde formée à la surfa- ce du corps semiconducteur. L'implantation à travers une mince couche d'oxyde élimine le dommage superficiel qui se produit normalement quand on implante des impuretés à de grandes énergies d'accélaration. Pour atteindre les buts ci-dessus ainsi que tous autres buts qui pourront apparaître ci-après, l'invention propose un procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteur dans un corps semiconducteur comportant une couche épitaxia- le simulée, procédé qui est décrit ci-après en référence aux dessins annexés sur lesquels les mêmes symboles de référen- ce désignent des parties semblables: Fig. 1 est une coupe d'un corps semiconducteur préparé à subir le procédé de l'invention. Fig. 2 est une coupe du corps semiconducteur une fois que des impuretés ont été implantées en dessous de sa surfa- ce. Fig. 3 est une coupe du corps semiconducteur tel qu'il apparaît une fois que la couche épitaxiale simulée a été for- mée selon l'invention. Fig. 4 est une coupe du corps semiconducteur une fois que des régions de source et de drain ont été formées dans la couche épitaxiale simulée. Fig. 5 est une coupe du corps semiconducteur tel qu'il apparatt une fois que l'isolant de porte a été formé sur sa surface et Fig. 6 est une coupe du dispositif à semiconducteur terminé. La présente invention est applicable à la fabrication de dispositifs à semiconducteur dans des corps semiconduc- teurs de diverses matières semiconductrices connues comme le silicium, le germanium, l'arséniure de gallium et l'ar- séniure-phosphure de gallium. Des impuretés déterminatrices du type de conductivité qui sont propres à être implantées dans chacundes différents types de matières semi-conductri- ces sont bien connues ainsi que les coefficients de diffu- sion des diverses impuretés. A titre d'exemple, on illustre- ra l'invention par un exemple dans lequel on implante des ions bore dans du silicium de type n pour former une cou- che épitaxiale simulée de type p. Toutefois,il est entendu que ces matières sont choisies seulement à titre d'exemple et que l'invention ne doit pas être interprétée comme limi- tée à celles-ci. En outre, l'exemple du procédé de l'invention que l'on a choisi pour l'illustrer décrit la formation d'une couche épitaxiale simulée d'environ 12 Am d'épaisseur. On a choisi en conséquence les énergies d'implantation, le dosage d'impu- retés et les paramètres de diffusion. Toutefois, il est en- tendu que ces valeurs sont déterminées en fonction des ma- tières choisies, de l'impureté implantée et de la profondeur particulière de la couche épitaxiale simulée désirée et ne doivent pas être interprétées comme limitant l'invention. Comme le montre la figure 1, le procédé part d'un corps ou pastille de silicium du type n, 10, présentant une sur- face pratiquement plane 12. Il est préférable d'oxyder ther- miquement le corps 10 pour former sur toute sa surface 12 une couche relativement mince de dioxyde de silicium 14. De préférence, la couche de dioxyde de silicium 14 a une épais- seur d'environ 500 A. Le rôle de la couche de dioxyde de si- licium 14 est d'empêcher le dommage physique normalement su- bi par la surface 12 du corps 10 pendant l'implantation io- nique à de grandes énergies d'accélération. Sans aucune opération de masquage photolithographique, on implante dans toute la surface du corps semiconducteur 10 une impureté ayant un type déterminateur de conductivité qui est opposé au type de conductivité du corps 10. Par exemple, on peut utiliser le bore qui aboutit à une couche de type p. Une dose d'implantation typique de 3,0 x 10 12/ cm2 à environ 200 keV est apparue appropriée. On implante le bore à une profondeur, en dessous de la surface 12 du corps 14, qui est notablement inférieure à l'épaisseur désirée de la couche épitaxiale simulée. Pour les paramètres d'implantation indiqués plus haut, l'implan- tation de bore aura une concentration maximale à environ 0,02 jtm en dessous de la surface 12 avec une limite ou pé- riphérie inférieure à environ 0,05 Ulm en dessous de la sur- face 12. Le corps apparaît ainsi tel qu'il est représenté sur la figure 2, la couche de bore implanté étant désignée par la référence 16. Une fois que l'étape d'implantation est ache- vée, on nettoie le corps semiconducteur avec un mélange chaud d'acides sulfurique et nitrique et on le rince à l'eau désionisée. Puis on soumet de préférence le corps semi-con- ducteur nettoyé à un court traitement thermique d'environ minutes à 9500C pour réparer le dommage au réseau et ac- tiver les ions bore implantés.Il faut noter que le traite- ment thermique visant à réparer le dommage au réseau et à activer l'impureté implantée se fait à une température no- tablement inférieure à celle o il se produit une diffusion notable de l'impureté implantée. En pareil cas, étant donné que le bore a une température de diffusion d'environ 1200'C, on choisit une température notablement inférieure à cette va- leur. On soumet alors le corps semiconducteur à un traitement thermique poussé qui dure environ 12 heures à environ 1200 OC dans un milieu oxydant formé de 02 seulement ou d'un mé- lange de celui-ci et d'azote, pour provoquer une diffusion notable des ions bore implantés. Les paramètres de cette é- tape de diffusion sont choisis en fonction de la concentra- tion superficielle d'impuretés désirée et de l'épaisseur désirée de la couche épitaxiale simulée formée. Les paramè- tres choisis à titre d'exemple aboutissent à une couche é- pitaxiale simulée d'environ 12 jum d'épaisseur. Le corps se- miconducteur présente alors l'apparence indiquée par la fi- gure 3 o la référence 18 désigne la couche épitaxiale si- mulée formée selon l'invention. Une fois que la couche épitaxiale simulée 18 a été for- mée, en dessous de la surface 12 du corps semiconducteur 10, on traite le corps 10 de façon classique pour y fabriquer un dispositif à semiconducteur. Par des techniques photo- lithographiques classiques, on forme à la surface 12 du corps semiconducteur 10 un masque 20 présentant des ouver- tures au-dessus des portions de la couche épitaxiale simu- lée 18 o il s'agit de former des régions de source et de drain. On forme alors les régions de source 22 et de drain 24 dans la couche épitaxiale simulée 18, de toute manière connue, par exemple par diffusion ou implantation ionique d'un dopant de type n. Après la formation des régions de source 22 et de drain 24, le corps semiconducteur 10 pré- sente l'apparence de la figure 4. Une fois que l'on a formé les régions de source 22 et de drain 24, on enlève le masque 20 et on développe ou on dépose, sur la surface 12 du corps semiconducteur 10, une couche isolante relativement mince composée de dioxyde de silicium ou corps similaire. Ensuite, par un deuxième pro- cessus photolithographique, on enlève la couche isolante de toutes les zones de la surface 12 excepté la zone située au- dessus du canal du dispositif à semiconducteur qui s'étend entre les régions de source 22 et dedra-in 24. De cette ma- nière, on forme l'isolant de porte 26. Le corps semiconduc- teur présente alors l'apparence de la figure 5. On soumet alors le corps semiconducteur à un processus de métallisation dans lequel on dépose une mince couche de métal sur la surface du corps et ensuite on l'enlève sélec- tivement par un troisième processus photolithographique classique de manière à former une électrode de source 28 au- dessus de la région de source 22, une électrode de drain 30 au-dessus de la région de drain 24 et une électrode de porte 32 à la surface supérieure de la couche isolante 26. On peut alors relier des conducteurs aux électrodes. Le corps semi- conducteur présente alors l'apparence de la figure 6. On comprend que le dispositif à semiconducteur fabri- qué par le procédé de l'invention est identique aux disposi- tifs correspondants fabriqués sur des corps semiconducteurs o l'on forme la couche épitaxiale par une technique classi- que, si ce n'est que dans le procédé de l'invention, on for- me les régions de source et de drain dans une couche épita- xiale simulée créée par implantation ionique et diffusion au lieu que ce soit par des techniques classiques de dépôt de vapeur d'agent chimique. La couche épitaxiale simulée ainsi formée a des propriétés physiques et électriques identiques à cellesd'une couche épitaxiale formée par des techniques classiques de dépôt de vapeur mais il n'est plus nécessaire de préparer soigneusement la surface du substrat, de surveil- ler strictement les débits, les proportions de réactifs et la température comme dans les procédés classiques de dépôt d'agents chimiques. La couche épitaxiale simulée formée par le procédé de l'invention a une profondeur plus uniforme, une densité de dopant plus uniforme et un plus haut degré de perfection cristallographique qu'il n'est possible norma- lement par des techniques classiques. En outre, tout le processus de formation de la couche épitaxiale simulée peut s'exécuter avec des appareils classiques d'implantation io- nique. Il est possible aussi, par le procédé de l'invention, d'obtenir une couche épitaxiale simulée plus mince que cel- les que l'on peut obtenir par des techniques classiques. On a décrit ici aux fins d'illustration un seul mode préféré de réalisation de l'invention, mais il est évident que l'on pourrait y apporter de nombreuses modifications et variations,et il est entendu que l'invention s'étend à ces variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif à semicon- ducteur dans un corps semiconducteur d'un type de conducti- vité donné, caractérisé en ce qu'il consiste: (a) à former une couche épitaxiale simulée (18) d'une épaisseur donnée en dessous de la surface du corps semicon- ducteur (I) en implantant dans le corps (10) des impuretés d'un type déterminateur de conductivité opposé au type de conductivité du corps, à une profondeur (16), en dessous de la surface (14) du corps (10), qui est inférieure à l'épais- seur désirée de la couche épitaxiale simulée (18), (II) en chauffant le corps semiconducteur (10) à une température supérieure à celle o il se produit une diffusion notable des impuretés implantéesPet (III) en mettant fin à l'appli- cation de chaleur au corps semiconducteur (10) une fois que les impuretés implantées ont diffusé, sous la surface du corps semiconducteur, à une distance approximativement éga- le à l'épaisseur désirée de la couche épitaxiale simulée (18). (b) à doper des zones déterminées (22,24) de la couche épitaxiale simulée (18) pour modifier leur conductivité et former des régions de source (22) et de drain (24) au sein de la couche épitaxiale simulée (18), (c) à former une couche isolante (26) à la surface (12) du corps semiconducteur (10), au-dessus de la couche épita- xiale simulée (18), en un point situé entre les régions de source (22) et de drain (24),et (d) à former des zones métallisées (28,30, 32) reliées fonctionnellement, respectivement, à la région de source (22), à la région de drain (24) et à la couche isolante (26). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche épitaxiale simulée (18) comprend en outre une étape consistant à chauffer le corps semiconducteur (10) à une température inférieure à celle o il se produit une diffusion notable des impuretés implantées, pour réparer le dommage au réseau et activer les impuretés implantées,cette étape s'effectuant avant l'étape qui consiste à chauffer le corps semiconducteur (10) pour provoquer la diffusion de l'impureté implantée.