Brevet FR2515425A1 — publié le 19830429

La présente invention concerne un procédé pour définir un élément de taille inférieure au micron sur une surface plane principale d'un substrat semiconducteur, et ce procédé comprend l'opération qui consiste à former sur cette surface une couche isolante dans laquelle est gravé un motif et qui comporte une paroi latérale s'étendant entre des première et seconde surfaces parallèles à la surface principale. On forme une diode à barrière de Schottky au moyen d'un contact en métal approprié sur un substrat semiconducteur Comme on le sait, une telle diode est un élément de certains circuits logiques à transistors, en particulier du type bipolaire, qui est utile pour augmen- ter la vitesse de fonctionnement du circuit Comme on le sait également, un anneau ou une zone de garde d'une impureté appropriée, entourant la périphérie de la bar- rière de Schottky est souhaitablepour atténuer des effets de bord parasites de la diode Dans les circuits modernes à très haut niveau d'intégration, il serait souhaitable de rendre aussi petits que possible chacune de ces diodes à barrière de Schottky ainsi que son anneau de garde, dans le but d'économiser de la surface du semi- conducteur, qui est précieuse. Les dispositifs à circuit intégré, tels que des transistors bipolaires aussi bien que des transistors MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur), sont définis habituelle- ment par des opérations lithographiques de masquage et d'attaque, faisant intervenir un traitement qui nécessite une exposition sélective d'une matière lithographique qui est de façon caractéristique sensible à un rayonne- ment électromagnétique ou au rayonnement d'un faisceau d'électrons La distance minimale entre des parois laté- rales espacées et en regard d'une ouverture définie et modelée par ce procédé, c'est-à-dire la largeur de trait minimale du procédé, peut de façon caractéristique ne pas être supérieure à environ 2 microns dans la techno- logie courante Ainsi, la plus petite diode à barrière de Schottky réalisée par un tel procédé caractéristique aurait un diamètre de 2 microns, sans considérer l'anneau de garde On peut donc voir que si l'anneau de garde était également défini par une opération supplémentaire de litho- graphie de type classique, l'étendue latérale globale de la diode à barrière de Schottky (y compris l'anneau de garde) serait notablement supérieure aux deux microns, contrairement à ce qu'on désire, et la vitesse de la diode serait également dégradée à cause de l'aire excessivement grande de la jonction PN formée par l'anneau de garde lui- même. Dans l'art antérieur, on a réalisé des zones de garde pour des dispositifs semiconducteurs tels que des transistors à effet de champ à grille isolée et des dio- des Schottky Par exemple, le brevet U S 4 282 539 dé- crit un transistor à effet de champ à grille isolée avec une zone de garde de canal relativement étroite, sous la forme d'une région (de garde) en bande qui s'étend le long des bords extérieurs du canal du transistor, de la source au drain Cette zone ou région de garde est dopée avec des impuretés dont le type de conductivité et la concentration sont choisies de façon à éviter l'influen- ce indésirable du potentiel variable entre la source et le substrat semiconducteur, sur la largeur effective de la couche d'inversion du canal pendant le fonctionnement. En l'absence de cette région (ou "zone") de garde dopée avec une impureté, ce potentiel variable produirait des fluctuations parasites de la largeur effective de la couche d'inversion du canal, et donc des fluctuations parasites de l'impédance du transistor. Le brevet U S 4 261 095 décrit un élément consistant en une diode à semiconducteur à barrière de Schottky, avec un anneau de garde encerclant la barrière de Schottky dans le but d'atténuer des effets de bord de barrière indésirables L'anneau de garde consiste en une zone dopée avec des impuretés,à la surface du semicon- ducteur, qui encercle la barrière de Schottky au niveau de cette surface Il est indiqué que cet anneau de garde est formé par l'introduction d'impuretés à travers une fenêtre (ouverture) d'anneau, de forme annulaire Dans le brevet U S 4 261 095, cet anneau est défini par l'es- 15425 pace entre les bords d'une fenêtre circulaire formée dans une couche isolante sur la surface du semiconducteur, et la périphérie d'une zone centrale (à l'intérieur de la fenêtre circulaire) sur laquelle on a déposé une couche de métal par la technique d'ombre rectiligne, en utilisant un masque circulaire surplombant s'opposant au dépôt du métal L'espace entre la périphérie de la zone centrale et les bords de la fenêtre circulaire est ainsi défini par le surplomb du masque La structure de diode à barriè- re de Schottky de ce brevet soulève un problème du fait que des parties de la surface du substrat de semiconduc- teur qui se trouvent sous le surplomb du masque, entre une couche de passivation périphérique en dioxyde de silicium et la couche de métallisation centrale de la barrière de Schottky, demeurent non revêtues et exposées. Ceci fait que les caractéristiques fonctionnelles de la diode de Schottky tendent à être dégradées par des rési- dus de solutions de nettoyage et d'attaque qui demeu- rent sur ces parties de la surface, du fait que de tels résidus peuvent attaquer la métallisation, l'oxyde ou le semiconducteur, contrairement à ce qu'on désire En outre, du fait de l'utilisation d'une opération d'atta- que avec enlèvement de matière par en dessous, l'aire totale que consomme la diode est augmentée de façon indésirable En outre, on ne peut pas utiliser une im- plantation ionique de la région d'anneau de garde, à cause de la configuration géométrique du dispositif, et, de ce fait, on doit recourir à l'introduction d'impuretés par diffusion à des températures élevées de façon indési- rables, et avec une moindre maîtrise du profil final de la zone d'anneau de garde. Il serait donc souhaitable de réaliser des dis- positifs semiconducteurs avec des régions de garde auto- alignées qui ne comportent pas ces défauts de l'art anté- rieur. L'invention porte sur un procédé pour définir un élément de taille inférieure au micron ( 21) sur une surface plane principale d'un substrat semiconducteur ( 1), comprenant l'opération qui consiste à former sur cette surface une couche isolante ( 2) dans laquelle est gravé un motif, ayant une paroi latérale qui s'étend entre des première et seconde surfaces parallèles à cette surface principale; caractérisé par les opérations suivantes: on dépose de façon non conforme une couche de métal formant un masque ( 4, 14) sur les première et seconde surfaces, ce qui définit automatiquement une partie de couche de métal relativement mince à l'intersection de la paroi latérale et de la première surface, et une partie de couche de métal relativement épaisse dans des régions éloignées de cette intersection; on attaque le métal pour enlever complètement la partie relativement mince et pour laisser au moins un peu de métal dans la partie relativement épaisse, ce qui a pour effet de former un espace de taille inférieure au micron dans la couche de métal restante ( 24, 34), au niveau de la paroi latérale; et on utilise cet espace pour définir l'élément ( 21). Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le substrat, semiconducteur est en sili- cium, la couche isolante gravée est en dioxyde de sili- cium, et la couche formant un masque est en aluminium. Une fois qu'on a formé le masque gravé, on implante des ions d'impureté dans le substrat pour former la zone de garde, on enlève le masque, on forme une couche d'espa- cement isolante sur la paroi latérale de la couche iso- lante, et on forme ensuite l'électrode de barrière de Schottky On dépose ensuite la métallisation pour l'in- terconnexion de la diode à barrière de Schottky résul- tante avec d'autres dispositifs formés ou à former sur la surface principale du substrat, et on grave un motif dans la métallisation conformément à la technologie clas- sique des circuits intégrés. Dans un autre mode de réalisation particulier, on dépose par plasma une couche relativement mince de dio- xyde de silicium, sur la couche isolante de dioxyde de silicium gravée qui a été formée par croissance thermi- que sur le bloc de silicium Cette couche de dioxyde de silicium déposée par plasma remplit une fonction d'inter- position et de protection pour les parties du substrat des Di- cium par ailleurs à nu, vis-à-vis d'interactions indési- rables avec la couche formant un masque. L'invention procure donc un dispositif semicon- ducteur avec une zone de garde sur une surface principale s d'un substrat semiconducteur, la surface de cette zone de garde consistant en des première et seconde parties revêtues, en commun avec le substrat, caractérisé en ce que toute la première partie est revêtue d'une couche isolante ayant une paroi latérale qui se trouve au-dessus de la surface de la zone de garde et est pratiquement perpendiculaire à cette surface; et la couche isolante comprend des première et seconde parties ayant une fron- tière mutuelle commune qui se trouve au-dessus de la sur- face de la zone de garde et qui est pratiquement perpen- diculaire à cette surface. La paroi verticale de la couche isolante (c'est- à-dire une paroi latérale qui est pratiquement perpendi- culaire à la surface principale du substrat Se Miconduc- teur) permet d'obtenir une taille globale du dispositif plus petite que celle obtenue dans le brevet U S. 4 282 589 précité, comme il ressortira de la description détaillée qui suit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 à 3 représentent en coupe divers stades de fabrication d'un dispositif à barrière de Schottky avec une zone de garde, conformément à un mode de réalisation particulier de l'invention; et La figure 4 est une coupe d'un transistor à effet de champ à grille isolée, conforme à un autre mode de réalisation particulier de l'invention. Aucun des dessins n'est à l'échelle, dans un but de clarté uniquement. Comme le montre la figure 1, la structure qui est fabriquée comprend un substrat semiconducteur en silicium N avtec une surface plane prencipa' 15 qui est de façon caractéristique d'orientation ( 100) Cette surface est revêtue d'une couche de dioxyde de silicium 2 dans laquelle on a gravé un motif, ayant une paroi latérale abrupte 25 Une couche protectrice 3 en dioxyde de sili- cium déposé par plasma, recouvre la couche gravée 2 ainsi que les parties de la surface 15 qui ne sont pas revêtues par la couche gravée On dépose de l'aluminium par évapo- ration sur la couche 3, déposée par plasma, et cette évaporation forme une partie de couche d'aluminium exté- rieure 4 et une partie de couche d'aluminium intérieure 14. Le dépôt d'aluminium par évaporation conduit à une épaisseur non uniforme de l'aluminium, à cause de la paroi latérale sous-jacente abrupte 25, et à cause des propriétés de type non conforme du dépôt d'aluminium par évaporation L'aluminium déposé forme ainsi les parties séparées (ou presque séparées) 4 et 14, comme le montre la figure 1. La couche de dioxyde de silicium 2 est de façon caractéristique une couche formée par croissance thermique, d'environ 400 nm d'épaisseur, dans laquelle on a gravé par des techniques lithographiques classi- ques une fenêtre (ou plusieurs) dont les bords se trou- vent au-dessus de la zone (ou des zones)de garde à former Pour ouvrir une telle fenêtre, on utilise une technique qui produit une attaque anisotrope de la couche 2, c'est-à-dire qu'on forme une paroi latérale abrupte (verticale) 25 pour la fenêtre, autrement dit une paroi qui est orientée pratiquement perpendiculai- rement à la surface 15 Pour cette attaque anisotrope, on peut employer par exemple une attaque ionique réac- tive en utilisant des ions tels que ceux du "Freon 23 " (CHF 3 et NH 3). On dépose la couche d'oxyde 3, formée par plas- ma, jusqu'à une épaisseur caractéristique d'environ nm, en employant le dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plasma, tel que le décrivent par exemple A C Adams, et col dans un article intitulé "Characteri- zation of Plasma-Deposited Silicon Dioxide," publié dans le Journal of the Electrochemical Society, Vol 128, pages 1545-1551 ( 1981). On dépose de façon caractéristique l'aluminium 15425 pour les couches 4 et 14 en procédant par évaporation à la température ambiante, en utilisant une source à filament conique Une crevasse profonde (ou un espace) 6 se forme dans l'aluminium déposé à proximité immédiate de la paroi latérale 25, du fait de la couverture de marche non con- forme qui résulte d'une telle évaporation d'aluminium. Ainsi, cette crevasse 6 sépare (ou sépare presque) l'alu- minium déposé en donnant la partie extérieur 4 et la par- tie intérieure 14 L'épaisseur de l'aluminium déposé est de façon caractéristique d'environ 600 nm. On agrandit ensuite la crevasse 6 par une atta- que isotrope de l'aluminium, pour former une couche extérieure attaquée 24 et une couche intérieure attaquée 34, comme il est indiqué sur la figure 2 On enlève= ainsi de façon caractéristique environ un tiers de l'alu- minium déposé précédemment, en employant par exemple une solution d'attaque contenant environ 16 moles d'acide phosphorique (H 3 P 04), 1 mole d'acide nitrique(HNO 3), 1 mole d'acide acétique et 2 moles d'eau Il demeure ainsi une épaisseur d'environ 400 nm d'aluminium dans la couche d'aluminium extérieure attaquée résultante 24 et dans la couche d'aluminium intérieure attaquée 34, qui sont ainsi séparées par une distance d'environ 200 nm. On attaque ensuite de façon isotrope la couche d'oxyde 3 déposée par plasma, afin de mettre à nu des parties de la surface principale 15 dussubstrat 1 qui se trou- vent au-dessous du voisinage immédiat de la séparation entre les couches d'aluminium intérieure et extérieure attaquées 34 et 24 Il demeure ainsi des parties exté- rieure et intérieure séparées, 13 et 23, d'oxyde déposé par plasma On utilise par exemple dans ce but une solu- tion d'attaque de volumes égaux d'éthylène glycol et de "BOE 930 " de la firme Allied Chemical Company, qui attaque le dioxyde de silicium déposé par plasma environ 15 fois plus vite qu'elle attaque le dioxyde de silicium formé par croissan e thermique et qui n'attaque pas de façon appréciable l'aluminium ou le silicium. On implante ensuite des ions bore 11 (figure 2) pour former une zone de garde 21 Les couches d'aluminium 2 515425 intérieure et extérieure attaquées 34 et 24, et éventuelle- ment la petite partie de la couche d'oxyde 25, formée par croissance thermique, qui peut faire saillie à partir de la région située sous les bords de la couche d'aluminium extérieure 24, constituent un masque protecteur contre le bore, ce qui fait que le bore n'est implanté que dans la zone de garde 21 On implante de façon caractéristique une dose d'environ 30 ke V d'ions bore, avec une concentration de surface d'environ 1 x 1014 par centimètre carré La largeur de la zone implantée 21 (avant activation et diffusion ultérieures des ions implantés) est de façon caractéristique d'environ 300 nm, c'est-à-dire notable- ment inférieure à un micron ( 1000 nm). On enlève ensuite complètement les couches d'aluminium 24 et 34, ainsi que les couches d'oxyde dé- posées par plasma 13 et 23, par exemple par attaque avec une solution contenant 1 mole d'acide fluorhydrique (HF) et 100 moles d'eau (H 20), ou bien en employant tout d'abord la solution décrite ci-dessus, utilisée précé- demment pour agrandir la crevasse d'aluminium, puis la solution décrite ci-dessus qui est utilisée pour atta- quer l'oxyde déposé par plasma. On dépose ensuite environ 150 nm de dioxyde de silicium, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur, et on l'attaque de façon anisotrope, par exem- ple par une attaque ionique réactive sans masque avec du Freon 23, pour former une couche d'oxyde de paroi latérale 35 située sur la paroi latérale de la couche d'oxyde 2 (figure 3) formée par croissance thermique. Cette couche d'oxyde de paroi latérale 35 est destinée à faire fonction de couche d'espacement pour que le bord d'une électrode de barrière de Schottky 33 à former se trouve en position centrale à l'intérieur de la zone - de garde Un recuit, effectué de façon caractéristique à environ 9000 C pendant environ 10 minutes, active avan- tageusement les ions bore implantés dans le semiconduc- teur et rend plus compacte la couche de dioxyde de sili- cium de paroi 35. On forme ensuite par un traitement classique l'électrode de barrière de Schottky 33 Cette électrode 33 est de façon caractéristique en siliciure de platine Enfin, on munit le dispositif à barrière de Schottky résultant d'une métallisation 36 (de façon caractéristique en titane, nitrure de titane, platine ou or), pour l'interconnexion avec un ou plusieurs autres dispositifs situés sur la surface principale 15. L'électrode de barrière de Schottky 33 est ainsi effectivement autoalignée par rapport à la zone de garde 31, du fait du procédé décrit ci-dessus, dans le- quel la seule opération lithographique a été celle utili- sée pour graver la couche d'oxyde 2. L'utilisation de la paroi latérale verticale, c'est-à-dire pratiquement perpendiculaire àla surface principale 15, pour la couche isolante gravée 2 permet ainsi d'obtenir une structure finale de dispositif (figu- re 3) dans laquelle la distance entre les bords opposés les plus extérieurs, 31 1 et 31 2, de la zone de garde 31 n'est pratiquement pas supérieure à la distance lithographique utilisée précédemment pour définir l'ou- verture dans la couche isolante gravée 2 (figure 1). Cette distance lithographique peut correspondre à la largeur de trait minimale pour donner un dispositif consistant en une diode ayant la plus petite configura- tion géométrique. On vient de décrire l'invention en détail en considérant un mode de réalisation particulier, mais on peut effectuer diverses modifications Sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, on peut supprimer la couche d'oxyde 3 déposée par plasma dans des cas dans lesquels la matière utilisée pour la couche 14 ne réagit pas de façon indésirable avec la matière du sub- strat semiconducteur sous-jacent 1 De plus, on peut supprimer la couche d'oxyde de paroi latérale d'espace- ment 35 dans des cas dans lesquels il n'est pas néces- saire de centrer 1 'électirde de Schottky 33 Par rapport à la zone de garde 31 Dens sor aspect le plus large, l'invention consiste en un procédé pour définir avec précision un espace de taille inférieure au micron, et on peut utiliser cet espace pour définir n'importe quel élé- ment, parmi divers éléments autres qu'un anneau de garde. Le substrat semiconducteur 1 peut être en une matière autre que du silicium, comme de l'arséniure de gallium. Enfin, au lieu de l'électrode de Schottky 33, on peut faire croître de façon thermique une couche d'oxy- de de grille 43 (figure 4), afin d'utiliser la zone de garde 31 en tant que zone de garde de canal pour les bords d'un canal, dans une structure de transistor à effet de champ à grille isolée, avec une couche d'élec- trode de grille en silicium polycristallin. REVENDICATIONS 1 Procédé pour définir un élément ( 21) de taille inférieure au micron sur une surface plane princi- pale d'un substrat semiconducteur ( 1) comprenant l'opéra- tion qui consiste à former sur cette surface une couche isolante gravée ( 2) ayant une paroi latérale qui s'étend entre des première et seconde surfaces parallèles à la surface principale; caractérisé en ce qu'on accomplit les opérations suivantes: on dépose de façon non conforme sur les première et seconde surfaces une couche de métal ( 4, 14) formant un masque, ce qui définit automatiquement une partie de couche de métal relativement mince à l'in- tersection de la paroi latérale avec la première surface, et une partie de couche de métal relativement épaisse dans les régions éloignées de cette intersection; on attaque le métal pour enlever complètement la partie re- lativement mince et pour laisser au moins une certaine quantité de métal dans la partie relativement épaisse, ce qui forme un espace de taille inférieure au micron dans la couche de métal restante ( 24, 34), au niveau de la paroi latérale; et on utilise cet espace pour défi- nir l'élément ( 21). 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on introduit des ions d'irmpuletésdans des parties sous-jacentes dusubstrat,àtravers ledit espace. 3 Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'on dépose une couche isolante protectrice ( 3) sur la couche isolante gravée ( 2), avant de déposer la couche de métal ( 4, 14). 4 Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'on accomplit les opérations sipplémentai- res suivantes: (a) on enlève la couche de métal et la couche protectrice pour mettre à nu une partie sous- jacente de la surface principale du substrat semiconduc- teur; et (b) on forme une couche d'espacement isolante ( 35) sur la paroi latérale de la couche gravée. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal formant 12- le masque est essentiellement de l'aluminium. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la couche protectrice consiste en dioxyde de silicium déposé par plasma. 7 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on forme une électrode de barrière de Schottky ( 33) dans la partie sous-jacente mise à nu de la surface principale du substrat. 8 Procédé pour former une zone de garde pour une région protégée par zone de garde dans une surface plane principale d'un substiat semiconducteur ( 1), carac- térisé en ce qu'on accomplit les opérations suivantes (a) on forme sur cette surface une couche isolante ( 2) qui comporte une ouverture définie par une paroi latérale pratiquement perpendiculaire à la surfa- ce principale; (b) on dépose une couche de masquage ( 4, 14) en une matière formant un masque, cette matière étant soumise à un effet d'ombre par ladite paroi laté- rale, ce qui fait que la région protégée par une zone de garde et la couche isolante sont masquées par la cou- che de masquage, et l'épaisseur de la couche de masqua- ge est notablement réduite au voisinage de la paroi la- térale, par rapport à son épaisseur plus loin de la pa- roi latérale; et (c) on implante des impuretés dans le subs- trat dans des parties de la surface de ce dernier au voisinage de la région sur laquelle se trouve la paroi latérale, pour former la zon e de garde ( 21). 9 Procédé selon la revendication 8, caracté- risé en ce qu'on attaque la matière formant un masque pour mettre à nu une partie de la surface dusubstrat avant d'implanter les impuretés. Procédé selon la revendication 9, caracté- risé en ce qu'on dépose une couche protectrice ( 23) avant de déposer la matière formant un masque, e t cette cou- che protectrice s'interpose entre la surface principale et la couche de matière formant un masque.