Brevet FR2525028A1 — publié le 19831014

PROCEDE DE FABRICATION DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP, EN Ga As, PAR IMPLANTATIONS IONIQUES ET TRANSISTORS AINSI OBTENUS L'invention concerne un procédé de fabrication de tran- sistors à effet de champ (TEC) en arséniure de gallium, obtenus par implantation(s) ionique(s) de donneurs légers dans un substrat de Ga As semi-isolant L'invention concerne également les transistors à effet de champ obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention est relative à l'industrie des circuits in- tégrés, plus spécifiquement sur arséniure de gallium L'élément unitaire essentiel de ces circuits est le transistor à effet de champ dont la grille de commande est le plus souvent une électrode métallique en contact avec une couche semiconductrice, formant une jonction dite de Schottky. L'objectif de la microélectronique étant la réduction de volume et de poids, pour des applications o celle-ci est pri- mordiale, à savoir le domaine aérospatial, cette réduction passe nécessairement par une intégration de plus en plus poussée des circuits Cependant des anomalies dans les performances des tran- sistors limitent le rendement de fabrication de ces circuits et s'opposent à l'amélioration du niveau d'intégration. Parmi ces anomalies, il en est deux particulières qui semblent être les moins bien comprises et les plus gênantes. Il s'agit du phénomène de commande par le substrat (dit "back-gating" en anglo-saxon) et des anomalies des caracté- ristiques drain-source IDS-VDS (dit "bumping"). Le premier phénomène consiste en la possibilité de commander le canal d'un transistor à effet de champ (TEC) à partir d'une électrode voisine mais étrangère audit transistor, soumise à un potentiel négatif par rapport à la source de ce même transistor. Ce type d'anomalie était connu sur les transistors obtenus par épitaxie, et une solution à ce problème consiste à élaborer une couche tampon faiblement conductrice de façon à séparer le canal du transistor et le substrat semi-isolant Cette solution n'est pas transposable ici, puisque la technologie envisagée pour la fabrication des transistors consiste en implantation(s) directe(s) dans un substrat de Ga As semi-isolant. Le second phénomène consiste en un brusque accroisse- ment du courant de drain, à partir d'une certaine tension de seuil entre le drain et la source L'origine de ce phénomène semble être étroitement associée à celui de la commande par le substrat, car les deux phénomènes se trouvent de façon concomitante dans un même transistor à effet de champ. L'invention a pour but de pallier ces divers inconvé- nients en proposant un nouveau procédé de fabrication propre à diminuer ces phénomènes parasites. Le procédé de fabrication selon la présente invention est remarquable en ce que l'on implante également, au moins dans la région du substrat destiné à former la région de canal dudit transistor à effet de champ, des ions oxygène en quantités suffisantes pour obtenir la réduction des phénomènes parasites sus-cités. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés donnés à titre non limitatif, permettra de mieux com- prendre comment l'invention s'exécute et se poursuit, et de mieux en apprécier sa portée. Les figures 1 et 2 représentent les étapes d'implan- tations ioniques dans un substrat de Ga As. La figure 3 représente les profils de concentration d'un niveau profond (EL 2), après recuit, selon l'art antérieur et selon la présente invention, pour comparaison. La figure 4 représente la fabrication des transistors à effet de champ (TEC), sur le substrat obtenu, après traitement conforme à la présente invention. Selon l'art antérieur, la réalisation des dispositifs semiconducteurs tels que les transistors à effet de champ s'effec- tuait usuellement par les techniques de croissance épitaxiale et d'auto-alignement. L'épitaxie est un procédé qui désigne la croissance orientée d'une couche monocristalline, sur un substrat lui-mnme monocristallin Elle permet notamment de déposer une (ou plu- sieurs) couche(s) d'épaisseur et de dopage parfaitement contrôlés, sur un substrat de qualité inférieure, par exemple une plaquette découpée dans un lingot massif d'un semiconducteur, tel que l'ar- séniure de gallium. Par la suite, par exemple avec la technologie dite d'auto-alignement, propre à réaliser des transistors à effet de champ à grille Schottky, telle que divulguée initialement dans le brevet français Ne 1 437 781, déposé au nom de la N V PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, les principales étapes sont les suivantes a) dépôt d'une couche métallique destinée à l'électrode de grille; b) dépôt de résine photosensible et illumination aux rayons ultraviolets à travers un masque délimitant ladite électrode de grille; c) gravure de la couche métallique et sous-gravure du matériau semiconducteur au moyen d'une solution appropriée; d) dépôt d'une couche métallique formant contact ohmique avec le matériau semiconducteur destiné à devenir les électrodes de source et de drain en profitant de l'effet d'ombre obtenu par la sous-gravure de l'étape précédente. Diverses variantes et améliorations sont connues, mais ne sont pas décrites ici, plus en détail, comme ne faisant pas partie à proprement dit de l'invention A cet égard, on peut citer également les brevets US de numéros 3,678,573 et 3,764,865, comme décrivant des procédés analogues, sinon équivalents. Lors de la réalisation de circuits intégrés par multi- plication de ce motif essentiel qu'est le transistor à effet de champ (TEC) sur un même substrat,"il apparaît à partir d'un certain degré d'intégration des anomalies de fonctionnement, relativement gênantes, dont deux particulières sus-citées, à savoir la commande par le substrat et les anomalies des caractéristiques IDS-VDS dans les TEC Ces types d'anomalies ont été étudiés sur les transistors élaborés par épitaxie, et l'on citera pour mémoire l'article paru dans IEEE Transaction on electronic devices, ED-27, 1037 ( 1980) par T ITOH et H YANAI qui a conclu notamment que les niveaux profonds jouent un r 8 le important dans la forma- tion de ces anomalies. La solution retenue pour ce type de transistor couche tampon faiblement conductrice n'étant pas applicable dans le cas de transistors élaborés par implantation(s) ionique(s) directe(s) dans un substrat semi-isolant, la Demanderesse a donc été conduite à explorer de façon plus précise l'état des niveaux profonds dans les substrats semi-isolants, à déterminer un mécanisme de perturba- tion par les électrodes voisines, propre à assurer une bonne com- préhension de ces phénomènes et à en déduire un procédé nouveau visant à pallier les susdits inconvénients. Une des premières étapes de cette recherche fondamen- tale a été conduite par G M MARTIN, A MITONNEAU et A MIRCEA et publiée dans ELECTRONICS LETTERS, 31 Mars 1977, Vol 13, N 7, p 191-193, sous l'article intitulé "Electron traps in bulk and epitaxial Ga As crystals" Le but de cette étude consistait notam- ment à répertorier les différents niveaux des pièges électroni- ques, à les caractériser et à en dresser un inventaire en fonction par exemple de leurs énergies d'activation. Une seconde étape a consisté à comprendre les mécanis- mes de compensation propres à rendre un matériau semi-isolant. L'article intitulé "Compensation mechanisms in Ga As", de G M. MARTIN, J P FARGES, G JACOB, J P HALLAIS et G POIBLAUD, paru dans J APPLIED PHYSICS, ( 51) 5 Mai 1980, p 2840-2852, fait typiquement le point des connaissances actuelles de ce mécanisme, il conclut notamment que la compensation provient de deux niveaux profonds, un premier niveau profond donneur dit EL 2 (EC-0,75 e V) et un second niveau profond accepteur, relatif au chrome, dans le cas de matériau massif d'arséniure de gallium, intentionnellement dopé au chrome, dans des concentrations qui peuvent varier entre 6.1015 et 4 1017 cm-3 Les diagrammes de Shockley permettent alors de déduire, à partir des niveaux des accepteurs et des don- neurs, la position du niveau de Fermi EF, qui rappelons-le, est situé au milieu de la bande interdite, pour les matériaux semi-isolants, et donc fortement dépendant des deux niveaux profonds sus-cités. Une troisième étape enfin a consisté à étudier l'effet des implantations (et recuits ultérieurs) sur les niveaux, les recherches actuellement en cours et non encore publiées ont mis notamment à jour des effets relativement singuliers: l'implanta- tion d'oxygène dans du matériau Ga As massif réduirait sensiblement l'étendue d'exodiffusion du niveau EL 2. Dans la suite du présent mémoire il convient alors de rappeler ce que l'on entend par exodiffusion et les inconvénients y attachés Par exodiffusion, on entend que la densité du niveau chute à la surface du matériau, mais reste pratiquement constante en son volume Le niveau EL 2 étant un niveau profond donneur (E -0,75 e V), on a donc une conversion en surface en un matériau de type p Or, lorsqu'on élabore des dispositifs semiconducteurs de type TEC, dans le Ga As, on implante des donneurs (Se+ ou Si+) de façon à obtenir une couche de type de conductivité n, mais la profondeur d'implantation -environ 1 500 Angstroems est bien inférieure à la distance de la conversion -environ 10 000 Angstroems et on obtient donc une jonction parasite à l'arrière du dispositif qui semble être responsable des anomalies de com- mande parasite par les électrodes voisines. La Demanderesse a donc cherché un procédé de traitement de la région du substrat, destiné à former la région de grille du TEC, permettant de freiner l'exodiffusion du niveau EL 2, de façon à diminuer l'étendue de conversion et par la même de dimi- nuer les phénomènes parasites de commande par le substrat. Conformément à la présente invention, on implante également, au moins dans la région du substrat destinée à former la région de canal dudit transistor à effet de champ, des ions oxygène. En effet, il apparaît des expériences conduites par la Demanderesse que l'implantation d'oxygène freine dans une notable mesure l'exodiffusion du niveau EL 2 En outre, cette exodiffu- sion étant très sensible au type de matériau utilisé, en freinant cette exodiffusion, on réduit l'écart entre les divers matériaux ainsi implantés, et on rend donc plus reproductible la technologie de fabrication. Le procédé de fabrication des transistors à effet de champ, par implantation(s) ionique(s) est alors décrit, en réfé- rence aux figures ci-annexées. La figure 1 représente un substrat de Ga As semi-iso- lant, obtenu par découpe d'une plaquette dans un lingot massif, tel qu'obtenu par tirage, par exemple selon le procédé LEC (de "liquid-encapsulated Czochralski") Dans ce substrat, il est im- planté des atomes donneurs tels que le silicium (Si+) ou le sélénium (Se+) de façon à obtenir une couche de type de conduc- tivité n Conformément à l'invention, on implante alors également de l'oxygène ( O +), les conditions d'implantation dépendant de la nature du précédent implant: a) dans le cas d'implantations de sélénium (Se+) et d'oxygène ( O +), ceux-ci sont implantés aux mêmes endroits, par exemple avec des énergies et des doses Se: ( 280 ke V; 3 x 1012 cmm 2) et O: ( 100 ke V; de 5 x 1011 à 5 x 1013 cm 2) b) dans le cas d'implantations de silicium (Si+) et d'oxygène ( O +), on implante le premier avec plusieurs éner- gies de façon à avoir une couche très épaisse, par exemple Si+ ke V, 200 ke V et 400 ke V, et le dernier avec une assez grande énergie de façon à ce qu'il soit implanté assez profondément, par exemple O + 200 ke V, les doses étant sensiblement les mêmes que celles citées ci-dessus. En effet, ainsi qu'il résulte de précédentes études, décrites et protégées dans la demande de brevet français, de numéro 81 17 664 déposée au nom de la Demanderesse le 18 Septembre 1981, l'implantation dans la même région d'ions silicium (Si+) et d'oxygène ( O +) et le recuit ultérieur rend ladite région iso- lante Mais, alors que selon les enseignements de ladite demande de brevet, l'implantation d'ions silicium (Si+) s'effectue sur l'entière surface du substrat et l'implantation d'ions oxygène uniquement dans les régions destinées à devenir isolantes, il n'en est pas de même selon la présente invention. En effet, dans le cadre de la présente invention, l'im- plantation d'ions d'oxygène ( O +) s'effectue dans la région des- tinée à devenir la région de grille (et non pas les caissons d'iso- lation), alors qu'en outre, si l'autre implant choisi est le sili- cium (Si+), l'énergie d'implantation est choisie de telle sorte que les implants oxygène soient relativement profonds (par exemple à une profondeur comprise entre 4 000 Angstroems et 8 000 Ang- stroems), alors que les implants silicium (Si+) sont répartis dans une couche d'épaisseur relativement importante (par exemple depuis la surface jusqu'à 10 000 Angstroems) qui recouvre au moins partiellement cette première. La figure 2 représente l'étape d'isolation par caisson des éléments fondamentaux Elle s'effectue selon une technologie connue d'implantation ionique de Bore (B+), les zones à protéger étant recouvertes par exemple d'une couche de laque de quelques microns d'épaisseur. Ces implantations ioniques sont alors suivies d'un trai- tement thermique sous encapsulant, par exemple sous nitrure de si- licium, à une température comprise entre 800 'C et 900 'C, pendant- un temps de l'ordre de 15 minutes Cette étape de recuit est néces- saire pour guérir les défauts d'implantation et amener en site substitutionnel les ions introduits dans la matrice cristalline. Cette étape de recuit est également importante puisqu'elle modifie les profils de concentration et notamment l'exodiffusion des niveaux profonds, tels que EL 2 ou celui du Chrome Cr Certains auteurs, tels KASAHARA et al ( 1980), Semi-insulating III-V mate- rials, Conf Nottingham, ont étudié également les effets d'une pression partielle d'arsenic pendant le recuit, sur des plaquettes nues. Les résultats obtenus, pour les expériences conduites par la Demanderesse, après implantation d'oxygène, sont particu- lièrement intéressants: l'exodiffusion de EL 2 est beaucoup moins rapide que celle observée pour ce même niveau pour des re- cuits classiques sous encapsulant. La figure 3 représente le profil de concentration du niveau EL 2 dans un substrat de Ga As Les courbes ( 1 et 2) représentent ce profil dans un substrat de type N obtenu par implantations ioniques de Sem ( 35 x 1012 cm, 280 ke V) et O + ( 0114 et 1013 cm 2, 100 ke V) et recuit à 870 'C sous Si 3 N 4. La courbe ( 3) représente ce profil pour un même substrat sans implan- tation d'oxygène. La figure 4 représente alors la formation des éléments fondamentaux (TEC), selon une technologie également connue, par exemple celle décrite dans la demande de brevet déposée au nom de la Demanderesse, sous le numéro 80 27 423, le 24 Décembre 1980, et intitulée: "Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, à grille auto-alignée et transistors ainsi obtenus", qui permet d'obtenir des grilles submicroniques, sans masque submicronique par une sous-gravure de l'électrode de drain, étant bien entendu que toute autre technologie compatible peut être éga- lement utilisée. Il est bien évident pour l'homme de l'art que de nom- breuses variantes peuvent être imaginées sans pour cela faire oeuvre d'esprit, donc sans sortir du cadre de la présente inven- tion tel que défini par les revendications ci-après annexées. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, en arséniure de gallium, obtenus par implantation(s) ioni- que(s) de donneurs légers dans un substrat de Ga As semi-isolant, caractérisé en ce que l'on implante également, au moins dans la région du substrat destinée à former la région de canal dudit tran- sistor à effet de champ, des ions oxygène. 2 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, selon la revendication 1, obtenus par implantation ionique de sélénium dans un substrat de Ga As semi-isolant, caractérisé en ce que l'on implante également, à la même profondeur, au moins dans la région du substrat destinée à former la région de canal dudit transistor à effet de champ, des ions oxygène. 3 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, selon la revendication 1, obtenus par implantation ionique de silicium, avec plusieurs énergies de façon à obtenir une zone d'implantation relativement épaisse, dans un substrat de Ga As semi- isolant, caractérisé en ce que l'on implante également, avec une grande énergie de façon à ce qu'il soit implanté profondément, au moins dans la région du substrat destinée à former la région de canal dudit transistor à effet de champ, des ions oxygène. 4 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, selon l'une des revendications 1 à 3,, caractérisé en ce qu' après implantation(s) ionique(s), on effectue un traitement thermique du substrat, à une température comprise sensiblement en- tre 600 C et 900 C, pendant une quinzaine de minutes. Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, selon la revendication 4, caractérisé en ce que, lors du traitement thermique, le substrat est encapsulé sous du nitrure de silicium. 6 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, selon la revendication 4, caractérisé en ce que le traite- ment thermique est effectué sous atmosphère d'arsine, le substrat étant nu.