Brevet FR2635413A1 — publié le 19900216

La présente invention concerne un procédé de fa- brication pour un dispositif du type métal-oxyde-semicon- ducteur, dans lequel une couche de source d'un type de con- ductivité est formée dans une couche de base d'un autre type de conductivité, formée sur une surface d'une couche de semiconducteur d'un type de conductivité, avec une faible densité d'impuretés, et une électrode de grille est formée sur cette structure, avec interposition d'une couche isolan- te de grille, de façon à définir entre la couche de source et la couche d'un type de conductivité une région de couche de base avec une faible densité d'impuretés, qui remplit la fonction d'une région de canal. Les dispositifs du type métal-oxyde-semiconducteur comprennent les MOSFET de puissance utilisant un seul type de porteur, et les transistors bipolaires du type à grille isolée ou IGBT (encore appelés IGT ou COMFET) utilisant une modulation de conductivité avec deux sortes de porteurs tels que des électrons et des trous. La figure 2 représente une coupe de la structure d'un MOSFET de puissance de l'art antérieur, qu'on fabrique normalement par le processus suivant. Premièrement, on forme une couche diffusée p 3 sur la surface d'une couche épita- xiale n 1 qui est formée sur un substrat semiconducteur qui remplit la fonction d'une couche de drain n 2. Ensuite, après avoir formé de façon similaire une électrode de grille sur la surface de la couche n 1, avec interposition d'une couche d'isolation de grille 41, on forme une fenêtre, par photolithographie, dans l'électrode de grille 5. On diffuse une couche de base de type p 6, en utilisant en tant que masque l'électrode de grille 5 dans laquelle on a formé une fenêtre, et on forme une couche p à faible résistance, 7, dans la couche p 6, par photolithographie et diffusion. On forme ensuite une couche de source n 8, en utilisant à nouveau l'électrode de grille 5 pour constituer une partie du masque, on revêt la surface avec une couche isolante 42 et on forme une fenêtre dans le but d'établir une connexion pour former une électrode de source 11, après quoi on forme une électrode de drain 12, en contact avec la couche n 2. Dans l'élément à semiconducteurs qui est ainsi formé, lors- qu'on applique une tension positive sur l'électrode de gril- le 5, par rapport à l'électrode de source 11, un canal 9 se forme sur une surface de la couche de base de type p 6, exactement au-dessous de la couche d'isolation de grille 41, des électrons sont injectés de la couche de source 8 vers la couche de drain constituée par la couche à résistance élevée 1 et par la couche à faible résistance 2, au moyen du canal 9 dans un état conducteur, et l'électrode de grille 5 est maintenue au même potentiel que l'électrode de source, ou polarisée négativement dans un état de blocage, ce qui donne un fonctionnement correspondant à ce qu'on appelle un élé- ment de commutation. La figure 3 représente un élément IGBT de l'art antérieur, qui peut être fabriqué par un processus similaire à celui d'un MOSFET de puissance, au moyen d'un substrat semiconducteur comportant la couche épitaxiale n 1 sur la- quelle sont formées la couche tampon n+ 2 et la couche de + drain p 10. La différence par rapport à un MOSFET de puis- sance est la suivante: du fait que la couche de drain 10 + est du type p, des trous sont injectés dans la couche n 1 à partir de la couche de drain p+ 10, à travers la couche + tampon n 2, conjointement à l'injection d'électrons de la couche de source 8 vers la couche p+ 10 par l'intermédiaire du canal 9, de la couche n 1 et de la couche tampon n+ 2, ce qui fait que la couche n 1 introduit une modulation de conductivité pour donner une faible résistance. La figure 4 représente un circuit d'onduleur d'alimentation d'un moteur 55 utilisant quatre MOSFET 51 à 54 représentés sur la figure 2. Des diodes 31 à 34, formées sur une couche p constituée par la couche p+ 3, la couche p 6, la couche p+ 7 et la couche n 1, sont respectivement incorporées dans chaque MOSFET. Dans ces conditions, à par- tir d'un état dans lequel le moteur 55 est alimenté avec les transistors à effet de champ 53, 52 à l'état conducteur, un courant de charge peut être commuté vers la diode 31 qui est incorporée dans le transistor à effet de champ 51, avec le transistor à effet de champ 52 bloqué. Ensuite, lorsque le transistor à effet de champ 52 est débloqué, un courant de récupération inverse de la diode 31 circule en plus du courant de la charge. Au moment de la récupération inverse de la diode 31, un transistor bipolaire parasite du MOSFET 52, constitué par la couche de source n 8, la couche de base p 6 et la couche n 1, est débloqué, ce qui provoque un claquage. Le transistor bipolaire parasite est débloqué pour les raisons suivantes: (1) Une valeur élevée du courant de récupération inverse de la diode 31. (2) Un appel de courant faisant passer dans la région d'avalanche sous l'effet de la crête de tension qui résulte de la raison indiquée en (1) ci-dessus. (3) Un courant produit par un dv/dt élevé. On décrira cet état en se référant à la figure 5. Lorsque le MOSFET est bloqué sur une charge inductive, une couche de désertion 22 se forme rapidement de part et d'au- tre d'une jonction pn 21. Les porteurs qui sont déchargés dans ce cas deviennent partiellement un courant de trous 23 et ils circulent dans la couche de base de type p 6, au- dessous de la couche de source n+ 8. Du fait que la surface de la couche p 6 est court-circuitée avec la couche de sour- ce n 8 par l'électrode de source 11, il apparaît une diffé- rence de potentiel qui résulte du produit du courant de trous 23 et d'une résistance de base Rb entre la couche de + source n 8 et la couche de base 6. Lorsque la différence de potentiel dépasse une tension qui est établie entre la base et la source, il se produit une injection d'électrons à partir de la couche de source 8, et un transistor parasite formé par la couche de source n+ 8, la couche de base p 6 et la couche n 1 est débloqué, ce qui provoque un claquage de l'élément. L'un des buts de la formation de la couche + diffusée p 3 de la figure 2 est d'empêcher un claquage de l'élément résultant du déblocage du transistor parasite, et donc de minimiser le courant de trous 23 qui circule sous + la couche n 8. Un but de la formation de la couche p a faible résistance 7 est alors précisément d'empêcher le claquage de l'élément sous l'effet du déblocage du transis- tor parasite, et dans ces conditions, on empêche la conduc- tion du transistor parasite en minimisant la résistance de base Rb. Cependant, les mesures précitées ne sont toujours pas suffisantes pour garantir la possibilité de blocage du MOSFET de puissance sur une charge inductive. Dans le cas d'un élément IGBT, un claquage de l'élément peut résul- ter du déblocage du transistor parasite qui est constitué + par la couche de source n 8, la couche de base de type p 6 et la couche n 1, au moment du blocage sur une charge in- ductive, comme dans le cas d'un MOSFET de puissance, et une condition encore plus défavorable consiste dans la présence du courant de trous 23 qui circule sous la couche de source + n 8 représentée sur la figure 5, même dans un état conduc- teur normal dans l'élément IGBT. Il peut donc exister un cas dans lequel l'élément IGBT manifeste un claquage dû au déblocage du transistor parasite, même dans le cas du blo- cage sur une charge qui n'est pas une charge inductive, ou dans un état de conduction. Dans le cas de l'élément IGBT, on a tenté d'empêcher un déblocage du transistor parasite en formant la couche diffusée p 3 et la couche p+ à faible résistance 7, comme dans le cas du MOSFET de puissance, mais cette tentative n'a pas donné satisfaction. Dans ces conditions, on a examiné les idées sui- vantes dans le but d'empêcher un déblocage de ce transistor bipolaire parasite du dispositif métal-oxyde-semiconducteur. (1) Empêcher la circulation d'un courant de com- mutation vers une diode incorporée, au moyen d'une diode externe assurant la continuité de la circulation du courant, et d'une diode à barrière de Schottky. (2) Diminuer di/dt, dv/dt en augmentant une valeur de résistance de grille externe. (3) Améliorer la capacité de résistance au cla- quage en réduisant le temps de récupération inverse de la diode incorporée, et en diminuant également le courant de récupération. Les mesures (1) et (2) introduisent un problème de coût élevé, du fait d'une augmentation du nombre de com- posants externes. D'autre part, dans le cas de la mesure (3), si on introduit une substance de réduction de la durée de vie, telle que le platine ou une substance analogue, dans le but de réduire le temps de récupération inverse, il se produit une augmentation de la résistance à l'état con- ducteur, et donc une augmentation des pertes, ce qui n'est pas souhaitable. Un but de l'invention est donc de procurer un procédé de fabrication pour un dispositif métal-oxyde- semiconducteur, dans lequel le temps de récupération inverse d'une diode incorporée soit réduit, pour empêcher un déblo- cage du transistor bipolaire parasite, tout en évitant une- augmentation de la résistance à l'état conducteur et en garantissant une excellente capacité de blocage. Pour résoudre le problème précité, dans un procédé de fabrication d'un dispositif métal-oxyde-semiconducteur comportant un substrat semiconducteur qui présente une couche de source d'un type de conductivité dans une couche de base d'un autre type de conductivité, formée sur un côté d'une couche de semiconducteur d'un type de conducti- vité, ayant une faible densité d'impuretés, qui consiste en une couche épitaxiale, dans lequel une substance de réduc- tion de durée de vie est introduite dans le substrat semi- conducteur, une électrode de grille est formée sur une sur- face du substrat semiconducteur avec interposition d'une couche d'isolation de grille, de façon qu'il existe une région de base entre la couche de source et la couche d'un type de conductivité ayant une faible densité d'impuretés, remplissant la fonction d'une région de canal, l'invention procure un perfectionnement selon lequel la couche de sur- face sur un côté, ayant une résistivité approximativement égale à la moitié de celle d'une couche à résistance élevée sur un côté opposé à celui sur lequel se trouve l'électrode de grille, est formée de façon à définir la couche épita- xiale d'un type de conductivité ayant une faible densité d'impuretés. Du fait qu'une substance de réduction de durée de vie qui est introduite pour réduire le temps de récupéra- tion inverse, donne lieu à une ségrégation en surface, il se produit une augmentation de résistance élevée, en parti- culier au voisinage de la surface. Pour maintenir préala- blement à une valeur faible la résistance de la couche épi- taxiale dans cette partie, on compense une augmentation de résistance sous l'effet de la substance de réduction de durée de vie, et on empêche une augmentation globale de la résistance à l'état conducteur. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, et en se référant aux dessins annexés dans lesquels: Les figures 1(a) et 1(b) concernent un MOSFET correspondant à un mode de réalisation de l'invention, et la figure 1(a) est une coupe d'une partie principale tandis que la figure 1(b) représente un graphique de distribution de la résistivité d'une couche épitaxiale, en direction normale, conformément à une coupe selon la ligne A-A de la figure 1(a); Les figures 2 et 3 sont des coupes respectives de parties principales d'un MOSFET de puissance et d'un IGBT; La figure 4 représente un schéma d'un circuit d'alimentation de moteur utilisant des MOSFET; La figure 5 est un schéma explicatif concernant le claquage qui se produit lorsqu'un MOSFET attaque une charge inductive; La figure 6 est un graphique de distribution de la résistivité en direction normale au voisinage de la surface d'une couche épitaxiale, résultant de la ségrégation au moment de la diffusion de Pt; La figure 7 est un graphique qui montre comment une résistance à l'état conducteur qui manifeste l'avantage que procure l'invention, et le temps de récupération inverse d'une diode incorporée, varient en fonction de la tempéra- ture de diffusion. Les figures 1(a) et 1(b) concernent un mode de réalisation préféré de l'invention, et la figure 1(b) est un graphique de distribution de la résistivité correspondant à une coupe selon la ligne A-A de la figure 1(a) . Le MOSFET est celui pour lequel on fait croître une couche épitaxiale 13 ayant une résistance élevée, jusqu'à une épaisseur de à 80 pm, sur un substrat 2 en Si dopé avec Sb, ayant une résistivité de 0,01 à 0,1 fl-cm, et la couche épitaxiale est formée de manière à diminuer la résistivité d'une-partie de surface 14 du substrat, ayant une épaisseur de 10 à 20 pm. Dans un exemple qui est indiqué par une ligne continue sur la figure 1(b) , on a effectué un dopage par P pour faire croître une couche de type n ayant une résistivité de R -cm, jusqu'à une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres, la couche épitaxiale de 15 pm d'épaisseur pré- sentait un gradient de concentration correspondant à la variation successive du rapport de PH3 et SiH4, et on a ajusté la résistivité en surface pour lui donner une valeur de 10 L-cm. Dans un exemple indiqué par une ligne en trait mixte "un point,un tiret" 16 sur la figure 1(b), on a formé une partie de 7,5 Hm d'épaisseur sur un côté inférieur de la couche de surface 14, de 15 pm. d'épaisseur, de façon qu'elle ait une résistivité de 15 i-cm, et on a formé une partie de 7,5 ym d'épaisseur du côté de la surface, de façon qu'elle ait une résistivité de 10 L-cm. Ensuite, dans un exemple indiqué par une ligne en trait mixte "deux points, un tiret" 17 sur la figure 1(b), une couche de surface de 15 Fm d'épaisseur constituant la couche 14 a été entièrement formée avec une résistivité de 10 k-cm. La figure 6 représente une distribution de ré- sistivité qui résulte d'une variation en direction normale de la concentration de Pt à partir de la surface, dans le cas o du Pt constituant une substance de réduction de durée de vie destinée à diminuer le temps de récupération inverse d'une diode incorporée, est diffusé dans une telle couche épitaxiale 1. On a utilisé pour la source de diffu- sion une solution de silice à laquelle est incorporé un composé de platine, qui porte la dénomination OCD Type 1 et qui est fournie par Tokyo Oka K. K., et on a appliqué cette solution sur la couche épitaxiale 1, du côté opposé à la surface, c'est-à-dire sur la face arrière du substrat 2. On a ensuite effectué une diffusion, dans un appareil de diffusion, pendant 30 minutes dans de l'oxygène et 90 minutes dans de l'azote, et une ligne 61 indique le cas o la température de diffusion est de 880 C, une ligne 62 in- dique le cas d'une température de diffusion de 860 C, et une ligne 63 indique le cas d'une température de diffusion de 840 C. Comme il est représenté, la résistivité augmente sous l'effet d'une concentration élevée de Pt sur la couche de surface épitaxiale, du côté opposé à la source de diffu- sion, et la résistance élevée est compensée par la couche épitaxiale 14 ayant une faible résistance. A la place de Pt, on peut utiliser de façon similaire Au en tant que substance de réduction de durée de vie. La figure 7 indique la variation de la résistance du MOSFET à l'état conducteur, RON, c'est-à-dire la résis- tance au moment de la conduction du transistor à effet de champ, lorsqu'une tension de grille VGS est de 15 V, et la variation du temps de récupération inverse trr de la diode rr incorporée, en fonction de la température de diffusion, avec des coordonnées rectangulaires. Les lignes en pointil- lés 71, 72 indique respectivement RON et trr lorsque la couche épitaxiale 1 est formée de façon à avoir une résis- tivité uniforme de 20 R-cm. Lorsque la température de dif- fusion est maintenue à 880 C pour minimiser trr, la résis- tance RON est de 0,5 I-. Cependant, comme le montre la fi- gure 1(b), sous l'effet d'une diminution de la résistance de la couche de surface 14, alors que trr ne s'écarte pres- que pas de la ligne 72, RON devient faible, comme le montre une ligne continue 73. Dans un dispositif métal-oxyde-semiconducteur tel qu'un MOSFET de puissance ou un IGBT, qui établit et inter- rompt la circulation d'un courant dans une direction per- pendiculaire à un substrat semiconducteur, dans lequel la couche présente sur un côté pour établir une électrode de grille sur la surface, est formée par une couche épitaxiale, on diminue la résistivité de la couche de surface, et on compense ainsi une élévation de la résistance due à une ségrégation au niveau de la couche de surface au moment de la diffusion d'une substance de réduction de durée de vie telle que Pt, Au ou une substance similaire, ayant pour but de réduire le temps de récupération inverse d'une diode incorporée, grâce à quoi on évite une élévation de la ré- sistance au moment de la conduction du dispositif métal- oxyde-semiconducteur, c'est-à-dire une résistance à l'état conducteur, ce qui empêche le déblocage d'un transistor bipolaire parasite, ceci entrainant une augmentation du courant admissible. REVENDICATION Procédé de fabrication pour un dispositif métal- oxyde-semiconducteur comportant un substrat semiconducteur portant une couche de source d'un type de conductivité dans une couche de base d'un autre type de conductivité, formée sur un côté d'une couche de semiconducteur d'un type de conductivité, avec une faible densité d'impuretés, qui consiste en une couche épitaxiale, dans lequel une substan- ce de réduction de durée de vie est introduite dans le substrat semiconducteur, une électrode de grille est formée sur une surface du substrat semiconducteur, avec interposi- tion d'une couche d'isolation de grille, de façon à définir une région de base entre la couche de source et la couche d'un type de conductivité avec une faible densité d'impure- tés, faisant fonction de région de canal, caractérisé en ce que la couche de surface sur un côté, ayant une résistivité approximativement égale à la moitié de celle d'une couche à résistance élevée sur un côté opposé à celui sur lequel se trouve l'électrode de grille, est incorporée pour former la couche épitaxiale d'un type de conductivité, avec une fai- ble densité d'impuretés.