Brevet FR2502845A1 — publié le 19821001

PROCEDE DE REALISATION SIMULTANEE DE DIFFUSIONS D'ALUMINIUM PROFONDES ET SUPERFICIELLES. La presente invention concerne un procédé de diffusion d'aluminium dans une plaquette de silicium. Particulièrement, l'in vention s'applique la formation de composants à structure a caissons. La figure I represente une structure connue de thyristor caisson. Un substrat de silicium I de type N faiblement dopa est entouré sur ses deux faces de couches de type P 2 et 3. Une diffusion 4 de type N est formée l'interieur de la couche de type P supérieure 3. Un sillon 5 est formé pour delimiter un thyristor:,. ce sillon étant rempli d'un agent de passivation, par exemple un verre. Ainsi, à l'intérieur du contour forme par le sillon et apparaissant selon les lignes en pointillés 6 et 7 dans la figure, on obtient une structure de thyristor classique. Cette structure reprd- sente pour le montage quelques inconvenients, notamment du fait que des points de soudure périphérique sur la face inférieure peuvent entraîner un court-circuit entre la zone I de type N et la couche 2, ou encore un risque d'arcage entre cette couche I et le support rE- tallique 8 du composant.Pour eviter ce risque, il a été suggéré d'utiliser des structures caissons telles qu'illustr#es dans la figure dans laquelle le composant se prolonge au-del du sillon fermé 5 et est délimité sa périphérie par une zone 9 de type P. D'autres avantages de la structure à caisson résident dans le fait qu'elle permet de mieux choisir l'épsisseur de la couche I de type N, ctest-à-dire l'épaisseur totale de la plaquette par rapport a des solutions du type double sillonnage, c'est- -dire sillonnage sur les faces avant et arrière. Pour realiser ces caissons 9, une des solutions classiques consiste à réaliser des diffusions profondes se rejoignant à partir des deux faces d'une plaquette de silicium. Il est egalement connu que l'aluminium constitue l'un des dopants préférés pour effectuer de telles diffusions profondes en raison de sa grande vitesse de diffusion. Néanmoins, dans la pratique, de grandes difficultés se presentent pour effectuer ces diffusions profondes d'alu minium qui doivent être localisées en des emplacements choisis d'une plaquette, par exemple selon un quadrillage ou une grille. On trouve de très nombreux brevets et articles concernant la diffusion profonde de silicium ainsi que des prétendues solutions pour éviter qu'il s'opère des diffusions d'aluminium en dehors d'emplacements présélectionnés choisis.De manière générale, la littérature fait appel à deux familles de techniques pour obtenir ces diffusions profondes d'aluminium. Le premier type de technique consiste à effectuer un dépôt d'aluminium localisé sur une tranche de silicium puis à effectuer un traitement thermique pour faire migrer des atomes d'aluminium dans le semiconducteur. Une variante de cette technique consiste à appliquer un gradient de température à la plaquette de silicium pour accélérer la pénétration d'aYuminium#par thermo-migration. Pour évi ten oudu moins limiter, les diffusions parasites d'aluminium en dehors des emplacements choisis, il est souvent préconisé d'opérer en atmosphère d'oxygène.Une autre variante de ce procédé consiste à déposer les couches d'aluminium localisées dans des sillons préalablement creusées dans la pastille de silicium pour limiter la profondeur de diffusion à réaliser. Une deuxième famille de procédés consisite à opérer en tube scellé de quartz. Les emplacements pour lesquels on ne souhaite pas que la diffusion d'aluminium se produise sont masqués. Les diverses couches de masquage ont été décrites comprenant essentiellement des combinaisons de couches de silice, de nitrure de silicium et/ou de silicium polycristallin, ces couches étant elles-mêmes dopées initialement de diverses façons, par exemple au phosphore.Toutefois, l'application stricte des procédés enseignés dans la technique ne permet pas de localiser strictement des diffusions très profondes, par exemple des profondeux excédant 150 microns (profondeur correspondant à la moitie d'une plaquette de silicium classique d'une épaisseur de 250 à 300 microns). Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir un procédé de diffusion d'aluminium localisé, ce procédé permettant en outre d'effectuer en des emplacements choisis de la plaquette des diffusions d'aluminium moins profondes et en d'autres emplacements de la plaquette aucune diffusion d'aluminium. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de diffusion d'aluminium dans un substrat de silice comprenant les étapes consistant à : former successivement sur la plaquette une première couche de silice thermique, une deuxième couche de nitrure de silicium et une troisième couche de silice pyrolytique, enlever sélectivement en des premiers emplacements choisis les deu xième et troisième couches ; enlever sélectivement en des seconds emplacements choisis, les première, deuxième et troisième couches disposer les plaquettes dans un tube scellé avec une source d'aluminium et procéder à un traitement thermique, d'où il résulte qu'une diffusion profonde se forme aux seconds emplacements, une diffusion superficielle aux premiers emplacements et aucune diffusion aux emplacements restants.L'épaisseur de la première couche est choisie dans la gamme de 0,1 à 3 microns, celle de la deuxième couche dans la gamme de 0,02 à 0,3 micron, et celle de la troisième couche dans la gamme de 0,1 à 0,3micron. Ainsi, on peut éviter toute diffusion aux endroits munis d'une triple couche ; d'autre part, on peut effectuer une diffusion d'une profondeur choisie par rapport à la diffusion profonde dans les emplacements où demeure seule la première couche de silice, en choisissant de façon appropriée l'épaisseur de cette première couche dans la gamme indiquée. 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 réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles La figure 1 représente à titre d'exemple une structure de thyristor à caisson classique Les figures 2A et 2B représentent des étapes de diffusion d'aluminium à partir d'un dépôt d'aluminium évaporé Les figures 3A et 3B illustrent des étapes de fabrication d'une structure semiconductrice par réalisation simultanée d'une diffusion d'aluminium profonde, d'une diffusion d'aluminium moins profonde et de zones exemptes de toute diffusion. La figure 2A illustre le procédé le plus fondamental de formation de diffusion d'aluminium à partir d'un dépôt localisé d'aluminium évaporé. Sur un substrat de silicium 10 est déposée une couche d'aluminium revêtuld'une couche de résine photosensible. La résine photosensible est insolée et éliminée dans ses parties insolées (ou inversement) de façon à laisser en place une couche d'aluminium localisée 11. Ensuite, la tranche est soumise à un traitement thermique pour faire diffuser l'aluminium. Une des grandes difficultés de ce procédé réside d'après la plupart des auteurs dans le fait qu'il se présente au cours de la diffusion des migrations en surface de l'aluminium qui provoquent des inclusions d'aluminium en des endroits éloignés de ceux où demeure la couche localisée 11. De l'avis de la demanderesse, ce problème est essentiellement lie plutôt qu'à des migrations à un mauvais nettoyage initial de la couche d'aluminium et à une Légère pénétration de l'aluminium dans le silicium lors de l'évaporation. Pour résoudre ce problème, la demanderesse préconise, comme cela est représenté en figure 2B, après l'attaque de la couche d'aluminium 11, d'effectuer une attaque supplémentaire du substrat de silicium d'une profondeur de l'ordre du micron ou plus pour éliminer toute inclusion éventuelle initiale d'aluminium, puis d'effectuer ensuite seulement le traitement thermique en atmosphère oxydante. L'expérience a montré que ce procédé permettait d'obtenir des diffusions convenablement localisées sans diffusions parasites en des emplacements éloignés. De façon surprenante, ce procédé qui consiste à placer en relief le dépôt d'aluminium-permet donc d'obtenir des diffusions plus profondes que le procédé classique consistant à appliquer l'aluminium directement au niveau de la surface plane du substrat de silicium ou meme que le procédé consistant à déposer l'aluminium dans des sillons. On notera néanmoins que si l'on souhaite effectuer un dépôt d'aluminium dans un sillon, on pourra aussi attaquer en surface sur une épaisseur de tordre de quelques microns le silicium pour atteindre le résultat de bonne localisation souhaité. Les figures 3A et 3B illustrent des étapes d'un procédé de diffusion en tube scellé d'aluminium selon la présente invention. Divers auteurs et notamment B. Jayant Baliga (Journal of Chemical Society : Solid States Science and Technology, Février 1979 Page 292 à 296) enzeignat que des couches de silice ne forment pas un masque satisfaisant à l'encontre des diffusions d'aluminium en tube scelle quand on veut obtenir des diffusions profondes, par exemple des profondeurs supérieures à des valeurs de tordre de la cinquantaine de microns. Il est donc préconise d'employer des structures multicouches du type silice/nitrure de silicium/silice. Selon la présente invention, il est proposé de mettre à profit lteffet d'écran partiel de la silice pour obtenir simultanément des diffusions profondes et des diffusions moins profondes tout en maintenant certaines parties totalement masquées à laide d'une structure multicouches. La figure 3 représente une plaquette de silicium 20 sur laquelle on a crée une structure multicouches par la succession d'étapes suivantes - oxydation du substrat de silicium pour former une couche de silice thermique d'une épaisseur de 0,1 à 3 microns; - dépôt en phase vapeur à basse pression d'une couche de nitrure de silicium d'une épaisseur de 0,02 micron à 0,3 micron; - dépôt à basse pression d'une couche de silice pyrolytique d'une épaisseur de 0,1 à 0~,3 micron. Avec cette structure, on arrive à limiter les craquelures qui se produiraient lors d'élévations de température dans la couche de nitrure de silicium. Au cours d'une étape ultérieure, on procède à des masquages successifs pour maintenir le sandwich des trois couches 21, 22 et 23 en des emplacements 25, pour éliminer en des premiers emplacements 26 les deux couches supérieures 22 et 23, puis pour éliminer également la troisième couche en des emplacements 27. Ces masquages et éliminations de couches successives sont réalisables selon les technologies connues en raison de la sélectivité du nitrure de silicium et de la silice vis-à-vis d'agentsd'attaque distincts. L'expérience a montré que le sandwich tri-couches aux emplacements 25 permettait d'écranter complètement des diffusions d'aluminium en tube scellé à des températures de 1250 C pendant des durées au moins égales à 40 heures. Ainsi, la plaquette telle qu'illustréeen figure 3B est ensuite disposée dans un tube scellé de quartz en présence d'une source d'aluminium et l'on obtient des diffusions profondes aux emplacements 27, des zones diffusées moins profondes aux emplacements 26 et des zones exemptes de diffusions aux emplacements 25. Ceci permet d'accroître le rendement et de diminuer le nombre d'étapes de fabrication quand on veut fabriquer par exemple une structure telle que celle illustrée en figure 1. Par ce procédé, on peut réaliser simultanément les murs 9 du caisson et les diffusions P supérieure et inférieure 2 et 3. Dans le cas de la figure 1, la possibilité d'écranter complètement certaines zones n'est pas utilisée, mais pourra être utilisée dans d'autres dispositifs. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits ci-dessus ; elle en inclut les diverses variantes et généralisations comprises dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Procédé de diffusion d'aluminium dans une plaquette de silicium caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes - former successivement sur la plaquette une première couche de silice thermique, une deuxième couche de nitrure de silicium et une troisième couche de silice pyrolytique ; - enlever sélectivement en des premiers emplacements choisis les deuxième et troisième couches ; - enlever sélectivement en des seconds emplacements choisis les première, deuxième et troisième couches ; - disposer les plaquettes dans un tube scellé avec une source d'aluminium et procéder à un traitement thermique, d'où il résulte qu'une diffusion profonde se forme aux seconds emplacements, une diffusion superficielle aux premiers emplacements et aucune diffusion aux emplacements restants. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que - la première couche a une épaisseur de 0,1 à 3 micron' - la deuxième couche a une épaisseur de 0,02 à 0,3micron - la troisième couche a une épaisseur de 0,1 à 0,3micron.