Brevet FR2572584A1 — publié le 19860502

l PROCEDE DE FABRICATION D'UN DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR A STRUCTURE DE GRILLE ENCASTREE, NOTAMMENT D'UN TRANSISTOR A INDUCTION STATIQUE L'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur à structure de grille (porte) encastrée, et plus préci- sément un procédé de fabrication d'un transistor à induction statique (appelé ci-après "TIS") ou d'un transistor à effet de champ vertical (appelé ci-après "TEC vertical"). Les structures de grille (porte) classiques des TIS comprennent la structure de type "planar" dans laquelle la zone de grille 3 est formée dans le même plan que celui d'une électrode principale de surface 4 (source ou drain) comme indiqué sur la figure 3, et la structure de type à grille noyée dans laquelle la partie de grille 13 est complètement noyée dans une couche épitaxiale à grande résistance (zone de conduit) 12. La structure de grille représentée sur la figure 3 comprend un support semi-conducteur 1, une couche épitaxial à grande résistivité (zone de conduit) 2, une électrode de grille 5 en Al, une électrode de source (ou drain) en Al, et une couche isolante 7. Sur la figure 4 sont représentés un support semi-conducteur 11 (drain ou source), une électrode de surface princi- pale 14 (source ou drain), une électrode de grille 15 en Al, une partie de branchement de grille noyée 17, et une couche isolante 18. Le SIT de type "planar" représenté sur la figure 3 peut être optimisé et intégré de la même manière que les autres dispositifs de type "planar" (tels que les bipolaires, les MOS, transistor métal-oxyde-silicium...), et s'appliquer à un circuit intégré ou autre utilisant ses grandes vitesses de fonc- tionnement. Cependant, la distance entre la zone de grille 3 et l'électrode de surface principale 4 fixée, est petite en termes de structure, et les électrodes se recouvrent presque. Une jonction de ce type est très susceptible aux coupures et présente également un courant de fuite relativement élevé, ce qui pose des problèmes de marge de fonctionnement du circuit, de fiabilité, de consommation de puissance et autres. D'autre part, dans le cas du TIS de type à grille noyée représenté sur la figure 4, il est nécessaire de disposer d'une distance suffisante pour éviter que les parties de grille noyée 13 se rejoi- gnent pendant la croissance épitaxiale, ce qui rend l'optimisation et l'intégration difficiles. Ainsi, le TIS de type à grille noyée est utilisé en dispositif discret tel que par exemple en transistor de puissance.- Un autre inconvénient vient du fait que comme la capacité entre la partie de grille 13 et l'électrode de surface principale 14 est grande, il est difficile de fonctionner à grande vitesse. Pour remédier à ces inconvénients des TIS du type planar et du type à grille noyée ci-dessus, on a proposé d'utiliser un TIS à grille encastrée, comme indiqué sur la figure 5. Dans ce TIS, une couche épitaxiale à grande résistivité (zone de conduit) 32 est formée sur un support semiconducteur 31 servant de drain ou de source, puis on applique à cette couche une attaque à l'acide pour la creuser, cette attaque étant suivie de l'addition d'une impureté dans la partie inférieure pour former une zone de grille 33. Une zone d'électrode principale de surface (source ou drain) 34 est formée sur la surface de la couche épitaxiale 32 entre les grilles, puis la surface est recouverte d'une couche isolante 35. Une électrode de grille 36 en Al et une électrode de source(ou drain> 37 reliée-à la zone de grille 33 et à la zone d'électrode de surface principale, sont formées. Dans le TIS à grille encastrée ci-dessus, on peut obtenir une distance suffisante entre la zone de grille 33 et l'électrode de surface principale 34 de la structure, de sorte que la susceptibilité à la coupure de la jonction est faible et qu'on peut également limiter à une faible valeur le courant de fuite de la jonction. De plus, comme il existe une certaine liberté de définition de la position de la zone de grille 33 par rapport à la zone de conduit 32 entre les électrodes principales 31 et 34, on peut avantageusement concevoir ce TIS à grille encastrée pour qu'il présente une plus grande constante d'amplification en tension que le TIS de type planar. Cependant, dans le cas de la structure à grille encastrée, il est difficile de former sur la partie inférieure une électrode de grille encastrée de plusieurs microns après attaque à l'acide. C'est-à- dire qu'il est naturellement difficile de déposer uniformément sur la surface convexe-concave une couche photorésistante de résine photosensible (normalement d'environ 1 micron d'épaisseur). Des moyens très encom- brants doivent être utilisés pour surmonter ces difficultés, ce qui ne permet pas, pour ces raisons, de les mettre en pratique dans un usage courant. L'invention a donc pour but de créer un procédé de fabrication d'un dispositif semi- conducteur permettant de former facilement une structure de grille encastrée tout en surmontant les problèmes ci-dessus de l'art antérieur. Le procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur de type à grille encastrée, selon l'invention, se caractérise en ce qu'on utilise une attaque chimique à l'acide latérale de gravure de ca- vité isotropique mettant en oeuvre une forme conve- nable comme masque pour former une partie creusée, et en ce qu'on utilise ensuite le même masque pour ajouter une impureté par implantation d'ions à travers l'ouver- ture, de manière à former une grille. - A cet effet, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif semi-conduc- teur à structure de grille encastrée, procédé caracté- risé en ce qu'il comprend les différentes étapes consis- tant à: a. former un dessin de film mince de configuration et de matériau prédéterminés sur un support semi-conduc- teur; b. attaquer sélectivement à l'acide ce support semi-conducteur en utilisant le dessin de film mince comme masque de gravure pour former une partie concave plus large que les fenêtres du dessin; et c. implanter des ions d'impureté appropriée dans la zone de surface du fond de la partie concave pour former une zone de grille, en utilisant une partie au moins du dessin de film mince comme masque, Plus précisément, selon les caractéristiques de l'invention, on effectue les trois étapes ci-après représentées sur la figure 1, pour fabriquer le TIS (ou TEC vertical) à grille encastrée. Sur la figure 1, la référence 41 désigne un support semi-conducteur, la référence 42 une couche épitaxiale à grande résistivité, la référence 43 une zone de grille, la référence 44 une électrode principale de surface, la référence 45 une partie creusée, et la référence 46 un masque. Dans la première étape représentée sur la figure l(a), on forme sur un support semi-conduc- teur une forme voulue servant de masque pour l'attaque en creux de la grille, et de masque pour l'implantation d'ions permettant de former la grille. Dans la seconde étape représentée sur la figure 1(b) on effectue l'attaque à l'acide pour creuser la partie en creux formant la grille, en uti- lisant la forme ci-dessus comme masque. A ce moment, on utilise une attaque latérale (attaque de côté) pour former sur le support semiconducteur une partie concave de largeur supérieure, d'une valeur prédéterminée, à la largeur de l'ouverture de la forme de masque de la première étape. Dans la troisième étape représentée sur la figure 1(c), on utilise une partie au moins de la forme réalisée dans la première étape, c'est-à-dire la forme déterminant un bord de la partie de grille maintenant l'électrode principale de surface (source ou drain), et l'on ajoute sélectivement une impureté au support semi-conducteur, par implantation d'ions, pour former une zone de grille. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - les figures 1(a) à 1(c) repré- sentent les étapes de fabrication d'un dispositif semi- conducteur constituant l'ébauche de l'invention; - les figures 2(a) à 2(g) repré- sentent les étapes de fabrication d'un dispositif semi- conducteur selon une forme de réalisation de l'inven- tion; et - les figures 3 à 5 représentent des dispositifs selon l'art antérieur, la figure 3 étant une vue en coupe schématique d'un TIS de type planar, la figure 4 étant unecoupe schématique d'un TIS de type à grille noyée, et la figure 5 étant une vue en coupe schématique d'un TIS de type à grille encastrée. On décrira sur les figures 2(a) à 2(g) un procédé de fabrication d'un TIS de type à grille creusée correspondant à une forme de réalisation de l'invention. Figure 2(a): Une couche épitaxiale à grande résistivité 51 de type n présentant une épaisseur de 3 à 10 microns et une concentration en impuretés de 1014 cm 3 ou moins, est formée sur m support en Si de type n+ présentant une concentration en impuretés de 1018 cm 3 ou plus. Le support 50 en Si est creusé par gravure à l'acide jusqu'à une profondeur supérieure à l'interface entre n et n+ par attaque de réaction ionique (ARI), en utilisant du CC14 ou du CC12F2 sur un film 52 de SiO2 traité par photogravure à l'acide sui- vant une configuration prédéterminée. Dans ce cas, on obtient la formation d'une rainure verticale pratique- ment sans élargissement latéral, du fait de l'anisotropie de l'attaque à l'acide. Figure 2(b): Ensuite, le film 52 de SiO2 est enlevé. Les défauts résultant de l'attaque de réaction ionique (ARI) sont supprimés par nettoyage de la rainure, puis un film 52 de SiO2 est formé par oxydation thermique sur la surface, et seule la partie formant le TIS est retirée par photogravure à l'acide. Figure 2(c): Un film 54 de Si polycristallin non dopé, de 0,3 à 1 micron d'épaisseur est formé par dépôt de vapeur sous vide (CVD). L'implantation d'ions d'As+ est effectuée en utilisant comme masque une couche photorésistante 55 soumise à une mise en forme, et une zone de dopage 54A est formée sur la partie désirée. Figure 2(d): Ensuite, la couche photorésistante est retirée. Un film mince 56 de SiO2 d'épaisseur inférieure à 1 000 est formé par oxydation thermique, après quoi un film 57 de SiN4 de 0,2 à 0,5 micron d'épaisseur est formé par dépôt de vapeur sous vide (CVD) pour remplir complètement la partie de rainure. Ensuite, dans l'étape indiquée sur la figure 2(e), une ouverture de formation de la zone de grille du TIS par attaque chimique isotropique du Si, est formée par application du procédé par photogravure. Dans ce cas, la figure 2 (d-1) représente la structure de l'ouverture nécessaire pour effectuer une attaque humide en utilisant une solution de CrO0-HF-H20. La figure 2 (d-2) montre que du SiO2 déposé par dép8t de vapeur sous vide (CVD) 58 est ajouté pour obtenir une sélectivité d'attaque suffisante par rapport à une attaque de plasma isotropique de Si par du CF4 gazeux ou par la combinaison d'une ARI anisotropique de Si utilisant du CCl4 ou du CC12F2 comme dans l'étape de la figure 2(a), avec une attaque de plasma isotropique de Si. Dans ce cas, des zones plus pro- fondément creusées peuvent être obtenues, et l'on peut de plus contrôler l'attaque latérale, ce qui permet ainsi de réaliser une gravure précise. Figure 2(e): Une grille d'encastrement voulu est obtenue par attaque isotropique humide ou par attaque de plasma de Si, ppur former une structure en surplomb 57A de film 57 de Si3N4. Après avoir fait croître un film mince oxydé thermiquement 53' dans la partie creusée, pour éviter la canalisation des ions implantés, une implantation ionique de B à dose de 10 4 à 1015 cm-2, est effectuée avec 50 à 100 ke pour former une grille 59. A ce moment, la grille 59 n'est formée que dans le fond de la partie creusée à travers le masque, avec le bord en surplomb 57A du film de Si3N4. Figure 2(f): La partie centrale du film 57 de Si3N4 est recouverte d'un revêtement photorésistant par photogravure, et le revêtement obtenu est utilisé comme masque, de sorte que les autres parties du film 57 de Si3N4, le film 54 de poly-Si non dopé, et le film 56 de SiO sont complètement retirés par ARI en utilisant un mélange de CF4-H2 et de CCl4 ou CC12F2 gazeux, puis en appliquant une nouvelle oxydation ther- mique pour former un film mince de tampon 53 de SiO2 d'épaisseur inférieure à 1 000 A. Par le chauffage appliqué à ce moment, l'As est diffusé dam zones dopées 54A vers la couche épitaxiale 51 pour former une partie de source 61 du TIS. Ensuite, l'implantation d'ions B+ est effectuée pour former une grille 60 de structure planar se reliant à la partie de grille-encastrée 59. Ici, la partie en surplomb 57A du film 57 de Si3N4 conduit à la formation d'une partie de source 61 et d'une partie de grille 59 du TIS cependant que ces parties sont maintenues séparées l'une de l'autre. Figure 2(g): - Après élimination du film central 57 de Si3N4, on effectue une diffusion pénétrante et une oxydation thermique pour donner les dimensions finales prédéterminées à la partie de grille 59 et à la partie de source 61, de manière a obtenir la structure finale du TIS. Ensuite, un verre de phospho-silicate (VPS) 62 de 4000 à 7000 X est formé de manière classique par dépot sous vide et soumis à un reflux, après quoi un trou de contact est ouvert et un fil d'électrode 63 en Al ou autre est mis en place. Par le procédé décrit ci-dessus, il est possible de fabriquer extrêmement facilement des TIS de type à grille encastrée de très grande précision de contrôle, égale ou supérieure à celle des structures planar et des structures à grille noyée de l'art antérieur. De plus, la partie d'électrode principale de surface et la partie de grille peuvent être formées de manière à s'auto-aligner, ce qui permet de réduire les caractéristiques d'inhomogénéité du dispositif. Enfin, comme on peut réduire au minimum la profondeur de la jonction pn de la partie de grille, une sensi- bilité aux courtes longueurs d'onde (A, 500nm) plusieurs fois supérieure aux sensiblités classiques, peut être obtenue dans les photo-transistors à TIS et les détecteurs d'images à TIS utilisant une partie de grille de TIS, comme électrode de détection de lumière. On peut ainsi obtenir un dispositif de grande valeur industrielle lorsqu'il est appliqué aux photo-détecteurs. Bien que, dans la forme de réalisation ci-dessus, on ait décrit un TIS à canal n(Si), il est évident que le dispositif peut aussi bien s'appliquer à un TIS à canal p ou à un TEC et autres semi-conducteurs des groupes III à V à canal p. Comme décrit ci-dessus, l'inven- tion permet de simplifier considérablement la fabrica- tion d'un dispositif semi-conducteur à structure de grille encastrée, capable de remédier aux inconvénients des dispositifs semi-conducteurs à structure planar et à structure de grille noyée. REVENDICATIONS 1- Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur à structure de grille encastrée, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les différentes étapes consistant à: a. former un dessin de film mince de configuration et de matériau prédétermines sur un support semi- conducteur (41); b. attaquer sélectivement à l'acide ce support semiconducteur (41) en utilisant le dessin de film mince comme masque de gravure pour former une partie concave (45) plus large que les fenêtres du dessin; et c. implanter des ions d'impureté appropriée dans la zone de surface du fond de la partie concave (45) pour former une zone de grille, en utilisant une partie au moins du dessin de film mince comme masque. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'attaque sélective à l'acide est une attaque par un plasma de CF4 gazeux. 3- Procédé selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, avant l'implantation des ions, un film d'oxyde final mince est formé sur la surface de la partie concave (45). 4- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif semi-conducteur est un TIS (transistor à induction statique).