Brevet FR2532471A1 — publié le 19840302

PROCEDE DE REALISATION D'OUVERTURE DE FAIBLE DIMENSION, UTILISATION DE CE PROCEDE POUR LA FABRICATION DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP, A GRILLE ALIGNEE SUBMICRONIQUE, ET TRANSISTORS AINSI OBTENUS L'invention concerne un procédé de réalisation d'ouver- ture de faible dimension et l'utilisation de ce procédé pour la fabrication de transistors à effet de champ, à grille alignée sub- micronîque, ainsi que les transistors obtenus par la mise en oeuvre de ce procédé D'une manière générale, l'invention ressort du do- maine de 1 'électronique, plus spécifiquement de la technologie de fabrication des composants semiconducteurs. De tels procédés de fabrication sont connus de l'art antérieur, et l'on citera pour exemple la demande de brevet N O 80 27 423 déposée le 24 Décembre 1980 au nom de la demanderesse et décrivant également un procédé de fabrication de transistors FET à grille submicronique et drain Schottky sans masque submicronique, par sous-gravure sur un seul bord médian, et alignement. Ce procédé a notamment permis de réaliser des transis- tors FET à grille submicronique, sans masque submicronique, à partir d'une utilisation astucieuse d'une technique usuelle telle que la photogravure. Mais, les transistors FET obtenus par la mise en oeuvre du procédé décrit dans ladite demande sont des transistors très particuliers à drain Schottky, et le procédé ne pouvait pas s'ap- pliquer pour la fabrication des transistors les plus généraux L'invention vise donc à décrire un procédé plus général de réalisation d'ouverture de faible dimension permettant d'obtenir dans une utilisation particulière toutes sortes de transistors à effet de champ, notamment le transistor FET classique, à électrodes de drain et de source sous la forme de contacts ohmiques et à gril- le Schottky. Le procédé selon la présente invention est remarquable en ce qu'il consiste en les étapes suivantes: a) dépôt sur le substrat d'une couche de laque sensible à des rayonnements de faible longueur d'onde, d'une couche de maté- riau opaque à ces rayonnements, et d'une seconde couche de laque sensible à des rayonnements de plus forte longueur d'onde; b) exposition au rayonnement de plus forte longueur d'onde à travers un masque qui découvre une zone entière du substrat ainsi recouvert; c) dissolution de la portion de ladite seconde couche de laque illuminée; d) attaque de la couche de matériau opaque non recou- verte de laque, et poursuite jusqu'à l'obtention d'une sous-gravure sur une distance typiquement inférieure au micron; e) dépôt d'une nouvelle couche de matériau opaque, par alignement sur le bord découvert de ladite seconde couche de laque; f) dissolution de la seconde couche de laque non illuminée; - g) exposition au rayonnement de faible longueur d'onde h) dissolution de la première couche de laque illumi- née; i) gravure du substrat, sous la forme d'une ouverture de faible dimension j) dissolution de la première couche de laque non illuminée. De cette manière, on obtient une ouverture présentant une dimension submicronique, sans masque submicronique, par alignement sur un motif intermédiaire qui disparaît après usage. La description qui va suivre en regard des dessins an- nexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre comment l'invention s'exécute et se poursuit et de mieux en déter- miner sa portée. Les figures 1 à 8 représentent les diverses étapes du procédé selon la présente invention, appliqué à la réalisation de transistors FET. Les procédés de fabrication des transistors FET par 2532471. auto-alignement sont bien connus de l'art antérieur et décrits par exemple dans le brevet français N O 1 437 781 au nom de la Société dite N V^ PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEN, dans une variante dite additive, et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3,678,573 au nom de la Société dite WESTINGHOUSE ELECTRIC Corp, dans une variante dite soustractive. Mais, ces procédés de photogravure aux travers de mas- ques présentent une limitation inhérente au moyen utilisé, dans les phénomènes de diffraction des rayonnements utilisés, qui sont géné- ralement des ultra-violets pour impressionner les systèmes de la- ques employés et qui impose l'utilisation d'ouvertures supérieures au micron. La demande de brevet no 80 27 423 déposée le 24 Décembre 1980 au nom de la demanderesse a permis de réaliser des ouvertures inférieures au micron, par exemple de l'ordre de 0,5 micron, par une utilisation astucieuse des techniques de photogravure et de sous-gravure, mais le procédé ainsi décrit ne trouvait application que pour des transistors particuliers, à drain Schottky. Il est également connu de l'art antérieur, notamment de la revue IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol 19, N 11, Avril 1977, pages 4089-4090, un procédé de fabrication d'espaces submi- croniques, par sous-gravure simultanée des deux bords d'une fenêtre micronique et dépôt d'une couche protectrice par alignement sur les deux bords, qui laisse découvertes deux zones latérales sur une distance qui peut être inférieure au micron. Le procédé selon la présente invention diffère de ce dernier par les moyens utilisés -pas de sous-gravure des deux bords d'une fenêtre, ni dépôt de couche protectrice-, et par le résultat obtenu -un seul espace submicronique-, ainsi que le prouve la description suivante des figures, illustration du procédé dans une application particulière. Le matériau semiconducteur 1, tel que référencé à la figure 1, est par exemple de l'arséniure de gallium Ga As, sur le- quel est déposée une première couche métallique 2, en un métal-ou alliage formant contact ohmique, par exemple un alliage or-germa- niun (Au-Ge = 80/20) déposé par exemple par évaporation Cette 253247 1 évaporation peut s'effectuer sur l'entière surface du semiconduc- teur, quitte à retirer ultérieurement de la matière par les techni- ques habituelles de photogravure, de façon à ouvrir une première fenêtre micronique F, ou bien uniquement sur des zones délimitées de manière à réaliser les électrodes de source et de drain, des caches protégeant les autres parties de la surface, cette deuxième variante étant à ce jour plus généralement utilisée. On dépose ensuite une seconde couche 3 en une laque sen- sible aux rayonnements de faible longueur d'onde, comme les ultra- violets profonds ou les rayons X, par exemple en'PMMA, telle que représentée à la figure 2, puis une troisième couche 4, en un maté- riau opaque à ces rayonnements tel que de la silice Si O 2, ou du nitrure de silicium Si 3 N 4, ou même divers métaux tels que l'aluminium Al, le tantale Ta, ou l'or Au, par exemple par évaporation et enfin une quatrième couche 5, en une laque sensible aux rayonnements ultraviolets, par exemple la laque commercialisée par la firme Shipley, sous la référence AZ 1350, d'une faible épaisseur, de l'ordre de 5000 Angstroems. On expose alors le substrat ainsi recouvert à un rayon- nement sensibilisant, par exemple à des rayonnements ultraviolets, à travers un masque qui découvre en son milieu ledit transistor à effet de champ, selon la ligne médiane principale de la première fenêtre micronique F, tel que représente à la figure 3, et l'on enlève la laque sensibilisée au moyen d'un dissolvant commun tel qu'une solution basique diluée (par exemple une solution de soude diluée) et la couche opaque 4, par exemple de silice Si O 2 ou de tantale Ta est alors gravée, par exemple au moyen d'un plasma CF 4/02 et sous-gravée sur une distance typiquement inférieure au micron, par exemple de l'ordre de 0,5 /um, sous la portion de couche de laque restante 5, d'une manière parfaitement nette et contr 8 lée, par exemple sur cette distance de 0,5 1 um en un temps de l'ordre de quelques minutes La bordure est parfaitement régulière avec des irrégularités qui n'excèdent pas 100 Angstroems. On dépose alors une nouvelle couche 6 en le même - Si O 2 en profitant de l'effet d'ombre obtenue par la sous-gra- vure; par alignement sur l'unique bord médian de la couche de laque restante 5, on obtient une zone non recouverte, de largeur constante submicronique, par suite de l'effet d'ombre, qui constitue donc une deuxième fenêtre submicronique f, intermédiaire car elle disparaîtra après usage. On enlève alors la laque non sensibilisée au moyen d'un solvant approprié Dans le cas d'une laque fine positive telle que la laque Shipley AZ 1350, l'acétone convient parfaitement à cet effet Avec le départ de cette couche de laque, la couche de maté- riau inerte 6 qui s'est déposée sur cette couche de laque 5 est également retirée (procédé dit de "lift-off" en anglo-saxon, ou de "pelage" selon le terme spécialisé) On obtient alors, conformément à la figure 5, deux fenêtres emboîtées l'une dans l'autre, la pre- mière micronique F et la seconde submicronique f. On illumine alors à nouveau l'ensemble, par exemple au moyen d'un rayonnement X ou UV profond dans le cas d'utilisation d'une laque épaisse PMMA, et l'on procède alors à l'attaque de la portion de laque illuminée au moyen de, par exemple, l'iso-butyl- méthyl-cétone, les solutions de développement appropriées variant en fonction de la laque utilisée, mais étant généralement indiquées et fournies par le fabricant La fenêtre intermédiaire submicroni- que f peut être alors retirée, au moyen de par exemple un plasma fréon-oxygène (CF 4/02), conformément à la figure 6. La couche semiconductrice est ensuite gravée dans la zone non recouverte par la laque; dans le cas du choix d'arséniure de gallium en tant que matériau semiconducteur, une solution de gravure appropriée est par exemple l'acide citrique dilué, et l'on obtient ainsi une cavité dont la forme dépend principalement de la solution d'attaque mais peut également dépendre d'une pluralité d'autres paramètres tels que l'orientation cristallographique etc Il est alors possible de déposer une autre couche métallique 7 en un métal qui va former un contact redresseur avec le matériau semiconducteur, par exemple de l'aluminium qui va tapisser le-fond de cette cavité ( 7 a), mais qui, par l'effet d'om- bre, entretenu par les parois verticales de la couche de laque 3, va être parfaitement délimité et autoaligné par rapport auxdites parois, conformément à la figure 7. Le produit final, après enlèvement de la laque restante non illuminée, par exemple au moyen de trichloréthylène, et-des portions de la couche métallique supérieure ( 7 b) par pelage, est représenté à la figure 8. Ce produit final, ici un transistor à effet de champ à grille Schottky, se distingue précisément d'autres transistors obtenus par d'autres procédés antérieurs en ce que la cavité creusée dans le matériau semiconducteur n'est pas définie ni limitée par les couches métalliques ( 2) formant électrodes de source et de drain. Il est bien évident pour l'homme de l'art que de nombreuses variantes peuvent être imaginées sans pour cela sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications ci-après annexées Ainsi, le contact redresseur formé par la dernière couche métallique 7 peut être obtenu par l'aluminium mais également d'autres métaux tels que par exemple la succession de couches métalliques titane/platine/or et alia De même, le choix des laques peut varier à l'infini, mais le couple choisi n'est pas entièrement libre en ce que les solutions chimiques d'enlèvement de ces laques (illuminée ou non illuminée) doivent être différentes pour que lors de la première immersion destinée à enlever une portion de la couche supérieure ( 5) la couche inférieure ( 3) ne subisse aucune altération et en ce que le rayonnement sensibilisant (UV) de la couche de laque supérieure ( 5) soit de plus grande longueur d'onde que celui (X, UV profond) de la couche de laque inférieure ( 3), de manière à pouvoir être arrêté par la troisième couche ( 4) disposée entre ces deux couches de laque Enfin et surtout, le procédé n'est pas limité à la fabrication de transistors FET mais s'étend à toutes sortes de produits et d'industries. 253247 I REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une ouverture de faible dimension, dans un substrat, caractérisé en ce que l'on effectue la succession d'étapes suivantes: a) dépôt sur le substrat d'une couche de laque sensible à des rayonnements de faible longueur d'onde, d'une couche de matériau opaque à ces rayonnements, et d'une seconde couche de laque sensible à des rayonnements de plus forte longueur d'onde b) exposition au rayonnement de plus forte longueur d'onde à travers un masque qui découvre une zone entière du substrat ainsi recouvert; c) dissolution de la portion de ladite seconde couche de laque illuminée; d) attaque de la couche de matériau opaque non recouverte de laque, et poursuite jusqu'à l'obtention d'une sous-gravure sur une distance typiquement inférieure au micron e) dépôt d'une nouvelle couche de matériau opaque, par alignement sur le bord découvert de ladite seconde couche de la- que f) dissolution de la seconde couche de laque non illuminée g) exposition au rayonnement de faible longueur d'onde h) dissolution de la première couche de laque illumi- née i) gravure du substrat, sous la forme d'une ouverture de faible dimension; j) dissolution de la première couche de laque non illuminée. 2 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, à grille submicronique alignée, à partir d'un matériau semiconduc- teur ( 1) recouvert d'une première couche métallique ( 2) formant un contact ohmique avec ledit matériau semiconducteur, sous la forme de deux zones formant les électrodes de source et de drain, sépa- rées par une fenêtre micronique, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: 253247 1 a) l'on dépose une seconde couche ( 3) en une laque sensible aux rayonnements de faible longueur d'onde, tels que les rayons X ou les UV profonds, une troisième couche ( 4) en un matériau opaque à ces rayonnements et une quatrième couche ( 5) en- une laque sensible aux rayonnements de plus grande longueur d'onde tels que les ultraviolets; b) l'on expose ladite quatrième couche ( 5) à un rayonnement sensibilisant d'ultraviolets, à travers un masque qui découvre en son milieu ledit transistor à effet de champ selon la ligne médiane principale de ladite fenêtre micronique; c) l'on dissout la laque sensibilisée avec une solution appropriée; d) l'on effectue une gravure de ladite troisième couche ( 4) non recouverte et une sous-gravure sur une distance typiquement inférieure au micron e) l'on dépose une nouvelle couche ( 6) en le même matériau que celui de ladite troisième couche ( 4), par alignement sur le bord médian de ladite quatrième couche de laque; f) l'on enlève la laque non sensibilisée avec une solution appropriée, g) l'on expose la seconde couche ( 3) en laque à un rayonnement sensibilisant de faible longueur d'onde tel que des rayons X ou des UV profonds; h) l'on enlève la laque sensibilisée avec une autre solution appropriée; i) l'on grave le matériau semiconducteur ( 1) sous la forme d'une cavité j) l'on dépose une couche métallique ( 7), en un métal formant contact redresseur avec ledit matériau semiconducteur, de manière à réaliser, dans ladite cavité, l'électrode de grille ( 7 a), par autoalignement sur les deux bords, voisins de ladite médiane et espacés d'une distance typiquement inférieure au micron, de ladite troisième couche ( 4) k) l'on enlève la laque non illuminée restante. 3 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, à grille submicronique alignée, selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit matériau semiconducteur ( 1) est de l'arséniure de gallium. 4 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, à grille submicronique alignée, selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la première couche métallique ( 2) est en un alliage or-germanium, éventuellement recouvert de nickel; et en ce que la dernière couche métallique ( 7) est en aluminium. Procédé de fabrication de transistors à effet de champ, à grille submicronique alignée, selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les laques sont choisies de telle sorte que leurs solutions chimiques d'enlèvement soient différentes et en ce que le rayonnement sensibilisant de la couche de laque supé- rieure ( 5) soit de plus grande longueur d'onde que celui de la cou- che de laque inférieure ( 3) de manière à pouvoir être arrêté par la troisième couche ( 4), disposée entre elles. 6 Transistors à effet de champ, à grille submicronique alignée, obtenus par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 2 à 5.