Brevet FR2480502A1 — publié le 19811016

La présente invention concerne des structures semiconductrices. à grille profonde localisée et-leur procédé de fabrication. Elle concerne plus particulière- ment une application à des diodes blocables par effet de champ. Dans divers types de composants semiconducteurs, discrets ou intégrés, tels- que des transistors bipolai- res de grande puissance, des thyristors ouvrables par la g.chette, des transistors à effet de champ vertical de puissance à jonction et autres, on trouve une couche profonde localisée en forme de grille disposée à l'inté- rieur de la plaquette semiconductrice dans un plan parallèle à celui des faces principales de cette plaquette. De telles couches profondes sont couramment dési- gnées dans la technique par l'appellation grilles enter- rées en raison du procédé de fabrication'classique de l'art antérieur par lequel elles étaient obtenues. En effet, ce procédé consistait à partir d'un substrat semi- conducteur, à y implanter des atomes dopants selon le type de conductivité correspondant à celui de la grille que l'on voulait obtenir, puis à former au-dessus de ce substrat une ou plusieurs couches épitaxiées dans lesquel- les sont éventuellement formées une ou plusieurs diffu- sions. Une telle structure est représentée schématiquement dans la figure 1 ci-jointe. On peut y voir le substrat 1 surmonté d'une couche épitaxiée 2 dans laquelle est formée une zone diffusée 3. La couche ou grille enterrée 4 est présente à la limite entre le substrat 1 et la couche épitaxiée 2. Ensuite, un contact est assuré entre la surface supérieure de la plaquette semiconductrice et la grille enterrée 4 au moyen d'une diffusion profonde 5. Dans de nombreuses. applications. pratiques, la grille 4 doit avoir un pas extrêmement fin et biendéterminé. En outre, cette grille sert couramment à l'ouverture du dispositif semiconducteur. Il est alors nécessaire que la résistivité transversale de la cuchce de crille sJi la plus faible possible. Son niveau -e dcpage do nc être très important. Ce haut niveau de dopage rend difficile de maîtriser avec une grande prcisic '1e- due de la diffusion à partir de la couche initiaement implantée pour que les mailles de -! grille ne se re- ferment pas. Le contrôle de cette diffus-on est très délicat à réaliser notamment du fait que des df---sic-ns parasites du dopant im.planté peuvent se lrr -_-re ors ce la formation de la couche épitaxiée. Ces inconvénients sont d'autant plus notables que, dans de nombreux dispositifs, on a cherché à réaliser de façon pratique des dimensions de mailles de grilles de l'ordre de quelques microns. D'autre part, du fait même de l'utilisation d'une couche épitaxiée déposée sur un substrat, la présence de défauts à l'in- te.rface couche épitaxiée-substrat est à l'oricine d'un courant de fuite excessif de la jonction de grile qui gêne le bon fonctionnement du dispositif dans des co-d-- tions satisfaisantes. Ainsi,.un objet de la présente inventsion est de prévoir une nouvelle structure de dispositifs semi- conducteurs à grille profonde qui pallie les inconvénients structurels ou de fabrication des dispositifs à grille enterrée de l'art antérieur. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure du type diode blocable. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé de fabrication de dispositif semiconducteur à.grille profonde. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, I -a présente Tnvention prêvoi une structure de disr:sitif semiconducteur à grille profonde ne comprenant pas de couche enterrée sous une couche épitaxiée selon la technique qui a été adoptée au cours de ces derni res années. 3. Ainsi, la présente invention prévoit une structure de dispositif semiconducteur, comprenant un corps semiconducteur comportant diverses couches de types de conductivité et/ou de niveaux de dopage distincts dont une première face comprend des rainures, dans lequel les parois latérales et le fond des rai- nures sont revêtus d'un agent isolantdans lequel le fond des rainures est séparé par l'agent isolant d'une zone localisée de façon correspondante à ce fond, de type de conductivité et de niveau de dopage particuliers choisis. Les rainures peuvent optionnellement être remplies d'un matériau isolant. Dans un mode de réa- lisation particulier de. la présente invention, le corps semiconducteur est un corps de silicium et les diverses couches isolantes mentionnées sont des couches de silice.. Bien que la présente invention puisse s'appli- quer aux divers domaines mentionnés précédemment, une application particulière envisagée concerne une diode blocable, c'est-à-dire une diode ayant un comportement de thyristor dans laquelle on peut empêcher un passage initial du courant dans le sens direct par application d'une tension appropriée sur une grille profonde. Néan- moins, comme dans le cas d'un thyristor, cette diode n'est pas "ouvrable", c'est-à-dire que l'on n'escompte pas l'utiliser pour interrompre le passage d'un courant direct mais seulement pour l'empêcher de s'établir ini- tialement quand une tension est appliquée aux bornes de la diode. Dans le cas de cette application particulière, le corps semiconducteur comprend un substrat d'un premier type de conductivité à. faible niveau-de dopage revêtu sur sa première face d'une première couche du même type de conductivité que le substrat et à niveau de dopage élevé et sur sa deuxième face d'une deuxième couche du type de conductivité opposé à celui du substrat et à haut niveau de dopage, les rainures mentionnées précédemment étant formées à partir de la première face et traversant la première couche, la couche profonde étant une couche du deuxième type de conductivité à haut niveau de dopage. Un procède de fabrication particulier d'un dispositif semiconducteur selon la présente invention à partir d'un corps semiconducteur comprenant des couches de typesde conductivité alternés fait usage de deux produits de protection attaquables sélectivement, le deuxième produit étant un produit isolant. Ce procédé comprend les étapes consistant à: recouvrir la première face du corps- semiconducteur d'une couche du premier pro- duit de protection;-former des rainures sensiblement en U à partir de la première face; revêtir les parois et le fond des rainures d'une couche du deuxième produit de protection; soumettre la première face à une implantation ionique dans une direction normale à. cette face, les atomes implantés ne traversant pas le premier produit de protection mais traversant le deuxième au niveau du fond des rainures; effectuer un recuit approprié; enlever la couche de premier produit de protection et procéder au dépôt et à la gravure des métallisations de prise de contact. Les rainures peuvent être formées par tout procédé connu, par exemple par gravure ionique. Toute- fois, dans un mode de réalisation particulier de la présente invention dans lequel le corps semiconducteur est un corps de silicium, le premier produit de protec- tion du nitrure de silicium et le second produit de - protection de l'oxyde de silicium ou silice, les rainures peuvent être formées par attaque. anisotrope. Les couches de silice revêtant les. parois et le fond des rainures sont formées par oxydation thermique. Un remplissage final des sillons peut être obtenu en déposant sur la première face une couche de silice dopéeau phosphore et en la faisant fluer pour remplir les rainures, Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réali- sation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, qui a été décrite précédemment était destinée à rappeler l'état de la technique; les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe d'un mode de réalisation d'un dispositif a. grille profonde du type diode blocable selon la présente inven- tion, ces coupes étant prises selon des plans différents et la figure 3 étant également en perspective; les figures 4 à 6 illustrent des étapes de fabrication d'un dispositif selon la présente invention. '3 On notera que ces diverses figures ne sont en aucune manière tracées à l'échelle ni entre elles, ni a. l'intérieur d'une même figure, de façon à mieux illustrer les caractéristiques de la présente invention, comme cela est usuel dans le domaine des semiconducteurs, Les figures 2 et 3 représentent des vues en coupe partielle transversale et longitudinale d'un mode de réalisation d'un dispositif du type diode blocable selon la présente invention. Ce dispositif comprend un corps semiconducteur comprenant un substrat 10 de type N, une couche il de type N+ sur sa première face et une couche 12 de type P+ sur sa deuxième face. Des zones en saillie 14 sont délimi- tées par des rainures 15. Les parois et le fond de ces rainures sont revêtus d'une couche d'un matériau isolant 16; le fond des rainures repose sur une zone 17 à niveau de dopage élevé et de type de conductivité P. Comme le montre mieux la vue en perspective et en coupe longitudinale de, la figure 3, on procède ensuite au dépôt d'une métallisation 18 recouvrant la plus grande partie de la première face ou cathode de la diode. Cette métailisation n'est représentée que de facon partielle par souci de clarté dans la figure 3. Elle s'étend en fait sur la plus grande partie de la phase principale et pratiquement sur toute la iongueur des sillons. Une partie de la mrétalisation pénètre dans les sillons. Elle n'a néanmoins pas de rôle néfaste à cet emplacement car les sillons sont isolés. Si, du fait du procédé de dépôt de la métallisation et de la structure particulière des sillons ou rainures 15, la métallisation se brise au niveau des rebords des sii- lons, cela ne constitue pas un inconvénient dans la mesure o l'on prend ensuite un contact par pression sur cette métallisation. La figure 3 représente égale- ment une métallisation de grille 19 en relation de ccnduc- tion électrique avec la zone profonde de type P 17. La conduction entre cette métallisation 19 et la zone profonde 17 est assurée par un mur ou diffusion profonde de type P formé à la limite longitudinale des sillons, et n'entrant pas en contact avec les régions N 11. Bien entendu, la structure représentée à la figure3 ne l'est qu'à titre illustratif et est susceptible de nombreuses variantes. Notamment, les rainures, au lieu de constituer des bandes parallèles peuvent former un quadrillage ou avoir toute autre forme choisie. Dans le cas o ces rainures forment un quadrillage, on pourra prévoir qu'une ou plusieurs rainures sont plus larges que les autres et que la couche d'isolement de fond de ces rainures est enlevée pour y déposer directement la métallisation 19 de contact de grille en évitant la formation du mur 20. On notera d'ailleurs que ce sur, quand il existe, est de préférence formé par diffusion profonde avant la formation des sillons pour évoter une étape de diffusion longue au cours de laquelle la couc'ne 17 qui est de préférence form.ée par implantation comme on le verra ci-après, serait susceptible de diffuser de 248050Z façon excessive. Selon une autre variante de la présente invention, avant de procéder au dépôt de la métallisation 18, les sillons peuvent être remplis d'un matériau isolant pour éviter des phénomènes parasites tels que des ruptures de la couche de métallisation 18 évoquées précédemment. On peut ainsi obtenir une structure à. grille profonde présentant par rapport aux structures à grille enterrée de l'art antérieur de nombreux avantages struc- turels résultant notamment du fait que la zone diffusée 17 est nettement. délimitée par la partie du sillon isolée latéralement 16. Un procédé de fabrication d'une structure telle que représentée en figures 2 et 3 va maintenant être décrit plus en détail en relation avec les figures 4 à 6. La figure 4 représente un corps de silicium et les régions 11 et 12, sur la première face ou face supérieure duquel on a formé une couche de protection 31 en nitrure de silicium (Si3N4). Des rainures en U 15 peuvent y être formées de toute façon connue, par exemple par gravure ionique. Dans le cas o l'on part d'un substrat de silicium d'orientation (1,1,0), on pourra former des ouvertures en des emplacements choisis de la couche de nitrure de silicium, par exemple selon un quadrillage en parallélogrammes d'angles 70 et 110 (non représenté).Ces ouvertures dans la couche de nitrure de silicium servent de masque d'attaque pour effectuer une gravure anisotrope de la plaquette et fournir les sillons en U 15 représentés dans la figure 5. Les crêtes des ouvertures sont alors alignées sur les directions (2,1,1) et les faces latérales sont constituées par des plans (1,1,1). Une étape d'échauffement thermique en atmosphère oxydante permet d'oxyder les parois et le fond des rainures de façon à former une couche d'isole- ment 16 en sîilice (SiO2). On procède ensuite à une implantation d'ions conférant un type p + au silicium, du bore par exemple, selon une incidence normale à la surface de la plaquette de façon à réaliser cette implantation dans le substrat D à travers la couche de silice se trouvant au fond des rainures 15. Bien entendu, les épaisseurs relatives de la couche de nitrure 31 et de la couche de silice thermi- que 16 sont choisies pour éviter toute implantation à travers la couche de nitrure 31. Dans la figure 5, les flèches verticales symbolisent la direction d'implantation normale et les croix en-dessous des fonds des sillons les zones implantées. On obtient ainsi une zone implan- tée d'étendue strictement délimitée en conformation avec la configuration des fonds de sillons ou rainures 15. Dans une étape ultérieure, illustrée en figure 6, on procède à un recuit en atmosphère oxydante pour faire diffuser les ions implantés et obtenir la zone profonde diffusée 17 en-dessous des fonds des sillons. Au cours de cette étape, on pourra faire croître la couche d'oxyde 16 isolant les parois et le fond des sillons. En effet, il est possible que,par suite de l'implantation, le caractère isolant du fond des sillons soit quelque peu dégradé. Ensuite, au cours d'étapes ultérieures, on enlève la couche de nitrure 31 par un procédé d'attaque. sélective, par exemple par une attaque au plasma, et l'on procède aux diverses métallisations propres à fournir une structure, par exemple du type du type illustré en figures 2 et 3, constituant une. diode blocable. Mais,de façon plus générale, la présente invention concerne un procédé de formation d'une. grille profonde sous des sillons isolés. Selon l'un des avantages de la présente inven- tion, l'étape de formation de la couche de grille pro- fonde 17 est l'une des. dernières étapes du procédé de fabrication et n'est suivie d'aucune autre étape d'épitaxie ou de diffusionpouvmt entainer une diffusion parasite de cette zone 17. Ainsi, la profondeur ou épaisseur de la zone 17 à partir du sillon peut être contrôlée avec une grande précision. On évite ainsi les phénomènes de diffusion aui rendent si difficile technologiquement la réalisation de structures grille enterrée à pas très fin du type decelle illustrée en figure 1. En utilisant les techniques exposées précédem- ment, on pourra réaliser un dispositif pratique, par exemple à grille parallélépipédique presentant les ca- ractéristiques dimensionnelles suivantes: - profondeur totale des sillons: 5 à 50 microns - distance entre sillons:10 à 15 microns largeur des sillons 3 à 5 microns - largeur ou profondeur de la couche 17 2 à 3 microns. La présente invention n'est pas limitée aux modes- de réalisation qui ont été explicitement décrits. Elle en comprend les diverses variantes et généralisations incluses dans le domaine des revendications ci-après. I0 REVENDICATIONS 1. Dispositif semiconducteur comprenant un corps semiconducteur comportant diverses coucnes de type de conductivité et/ou de niveaux de dopage distincts dont une première face com.prend des rainures, caractéris4 en ce que les parois et le fond des rainures sont revêtus d'un agent isolant, le fond de ces rainures étant ad- jacent à une zone semiconductrice profonde localisée de façon correspondante, de type de conductivite et de ni- veaux de dopage choisis. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend une métallisation principale sur la première face et une métallisation auxiliaire en liaison électrique conductrice avec la zone profonde. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce que la métallisation auxiliaire est formée au niveau du fond des rainures et recouvre une partie de celles-ci, des ouvertures étant prévues dans la couche d'agent isolant recouvrant le fond des rainures pour permettre un contact entre la-métallisation et la zone profonde. 4. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la métallisation auxiliaire est formée sur la première face dans des régions situées à la limite des rainures, la liaison électrique conductrice entre cette métallisation et la zone profonde étant assurée par un mur semiconducteur à niveau de dopage élevé de meme type de conductivité que celui de la zone profonde. 5. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que des sillons sont remplis d'un matériau isolant. 6. Dispositif semiconducteur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5 constituant une diode blocable, caractérisé en ce que le corps semiconducteur comprend un substrat d'un premier type de conductivit- à faible niveau de dopage revêtu.sux sa première face d'une première couche du même type de conductiïv:t eti niveau de dopage élevé et sur sa deuxième face d'une deuxième couche du type de conductivité opposé à haut niveau de dopage, lesdites rainures étant formées à partir de la première face et traversant la première couche, et la couche profonde étant une couche du deuxième type de conductivité à haut niveau de dopage. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que le corps semiconducteur est constitué â partir d'un substrat de silicium, l'agent isolant de la revendication 1 et le ma- tériau isolant de la revendication 5 étant de la silice. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur selon la revendication 1 utilisant deux produits de protection attaquables sélectivement, carac- térisé-en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) recouvrir la première face du corps semi- conducteur d'une couche du premier produit de protection; b) former des rainures sensiblement en U à partir de la première face; c) revêtir les parois et le fond des rainures d'une couche du deuxième produit de protection; d) soumettre la première face à une implantation ionique dans une direction normale à cette face, les ato- mes implantés ne traversant pas le premier produit de pro- tection mais traversant le deuxième au niveau du fond des rainures; e) effectuer un recuit approprié; f) enlever la couche du premier produiE de protection et procéder au dépôt et à la gravure de métal- lisationsde prise de contact. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le corps semiconducteur est formé à. partir d'un substrat de silicium, le premier produit de protec- tion étant du nitrure de silicium (Si.3N4) et le second produit de protection de la silice (SiO2). 2485O02 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que les rainures.en U sont formées par gravure ionique. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le corps semiconducteur est formé à partir d'un substrat de silicium d'orientation (1, 1, 0) caractérisé en ce que les rainures en U sont formées par attaque anisotrope après- avoir ouvert la couche de nitrure selon une configuration présentant des orientations élé- mentaires choisies. 12. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que l'étape c) consiste en une étape d'oxydation thermique. 13. Procédé selon les revendications 8, 9 et 12, caractérisé en ce que l'étape e) consiste en une étape d'oxydation thermique supplémentaire pour améliorer les caractéristiques isolantes des parois et du fond des rai- nures. 14. Procédé selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre entre les étapes e) et f) une étape supplémentaire consistant à remplir les sillons d'un produit isolant. 15. Procédé selon la revendication 14, prise dans son rattachement avec la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape supplémentaire consiste à déposer sur la première face une couche de silice dopée au phosphore et à faire fluer cette silice dopée pour remplir les rainures.