Brevet FR2667442A1 — publié le 19920403

SEMI-CONDUCTEURS POUR COMPOSANTS MICROELECTRONIQUES A HAUTE RESISTANCE CONTRE LES RADIATIONS IONISANTES DESCRIPTION La présente invention se rapporte d'une manière générale au domaine des dispositifs semi-conducteurs pour composants microélectroniques. Elle a surtout pour objet des dispositifs de ce genre "durcis", c 1est-à-dire susceptibles de résister sans dommage aux radiations ionisantes de grande intensité telles que par exemple les ions à grande énergie du rayonnement cosmique. D'une manière générale, le problème du "durcissement" des dispositifs semi-conducteurs est bien connu. On désigne par ce terme (en terminologie anglosaxonne : "hardening") les moyens qui permettent de rendre Les semi-conducteurs relativement insensibles aux effets néfastes des rayonnements ionisants auxquels, dans certaines conditions de fonctionnement particulières, ils peuvent se trouver soumis. On sait en effet que, d'une façon générale les radiations ionisantes créent des charges dans la matière qu'elles traversent et en particulier par conséquent dans les semi-conducteurs. Dans le cas où ces radiations sont constituées d'impulsions de photons ou d'ions rapides et de courte durée, la puissance ainsi absorbée par le semi-conducteur peut être importante et les mécanismes de diffusion et d'entraSnement par le champ électrique consécutifs peuvent donner lieu à des courants transitoires très élevés responsables de défaillances transitoires ou permanentes des micro-circuits électroniques.Le plus souvent, les radiations ionisantes en cause sont soit des bouffées de particules, photons, ou ions énergétiques, soit des ions très énergétiques isolés comme ceux qui proviennent du rayonnement cosmique naturel, et la présente invention permet précisément de combattre de façon efficace leurs effets néfastes. Dans la technique connue jusqu'à ce jour, on a cherché à réduire la sensibilité des composants microélectroniques aux radiations ionisantes (durcissement) en fabriquant ces mêmes circuits sur un substrat isolant ou semi-isolant. Une telle structure connue de semi-conducteur déjà durci est représentée sur la figure 1 et comporte une partie active 1 semi-conductrice en silicium située sur un substrat 2 isolant saphir (Al203). Dans le cas de la structure connue de la figure 2, le substrat 2 en oxyde de silicium est obtenu par implantation ionique d'oxygène au travers de la couche active faiblement dopée 1. D'autres techniques dans lesquelles le substrat est semi-isolant et réalisé en arséniure de gallium sont également connues. Quoi qu'il en soit, et dans tous les cas, l'efficacité de ces dispositifs connus repose sur le fait que les charges électriques créées dans la couche isolante 2 par les radiations ionisantes sont pratiquement stoppées dans celle-ci du fait de son caractère isolant et ne peuvent par conséquent pas parvenir jusque dans la couche active 1 du composant dans laquelle elLes créeraient aLors des perturbations rransitoires ou permanentes importantes, pouvant aller par exemple jusqu'à la commutation du transistor considéré. Dans une structure conforme à celle de la figure 1. seules les charges électriques créées par ionisation au sein même de la couche active semi-conductrice 1 sont susceptibles de perturber le fonctionnement du composant.Comme les rapports d'épaisseur entre les couches 1 et 2 sont en moyenne de l'ordre de 0,15 micromètre pour la couche 1 et 3 à 500 micromètres pour la couche 2, l'immunité du composant dans sa totalité est ainsi obtenue ipso facto par le rapport entre ces deux dernières dimensions, c'est-à-dire par diminution du volume sensible du composant par rapport à la dimension totale de ce dernier. Dans d'autres réalisations de l'art connu, dont un exemple est représenté sur la figure 2, le substrat situé sous la couche active 1 comporte, en plus de la couche d'isolement 2, une couche 3 d'un semi-conducteur faiblement dopé. Malgré les progrès très importants réalisés par les structures de composants microélectroniques des figures 1 et 2, certaines difficultés subsistent, notamment du fait que les charges électriques développées dans la couche de substrat isolant 2 sont susceptibles d'induire par influence des charges images dans la couche active 1. Cet effet est d'autant plus considérable que la charge créée et/ou sa variation dans le temps bQ/~t est importante. C'est le cas lorsque l'arrivée de radiations ionisantes libère de grandes puissances instantanées dans Le composant au cours d'une irradiation atteignant celui-ci.Comme lors de la fabrication, on donne au volume 2 du substrat isolant un volume considérablement plus grand que celui de la couche sensible 1, la quantité de charges créées et transférées par le phénomène précédent peut dans certains cas excéder largement la quantité de charges créées directement dans le volume sensible 1 et réduire ainsi à néant les efforts de durcissement basés sur le pouvoir de barrière de la couche isolante 2. La présente invention a précisément pour objet une structure semi-conductrice pour composants microélectroniques qui permet, à l'aide de moyens simples à mettre en oeuvre, d'améliorer encore de façon considérable les structures durcies de l'art connu. Cette structure semi-conductrice pour composants microélectroniques à haute résistance contre les radiations ionisantes, notamment les ions à grande énergie du rayonnement cosmique, comportant une couche active semi-conductrice placée à la surface d'une couche d'isolement, se caractérise en ce que le substrat situé sous la couche d'isolement comporte une couche d'un matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré, de type N ou P, située directement sous la couche d'isolement. La couche d'un matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré située directement sous La couche d'isolement renforce la qualité du durcissement du composé semi-conducteur de deux façons différentes. D'une part, elle peut permettre, lorsqu'elle est reliée électriquement à un boîtier ou à un conducteur extérieur, et c'est le cas le plus fréquent, l'écoulement des charges qui se produisent dans cette couche à la suite de L'arrivée d'une radiation ionisante rapide à haute énergie ; d'autre part, comme cette même couche est conductrice, elle interdit l'extension du champ électrique et peut permettre au bout d'un certain temps la recombinaison de ces mêmes charges induites et par conséquent, dans un cas comme dans l'autre, la disparition des effets d'influence dus aux charges développées sur la couche semi-conductrice active du semi-conducteur. Selon l'invention, deux structures différentes peuvent être envisagées, qui sont toutes deux génératrices de l'amélioration technique rappelée précédemment. Dans un premier mode de mise en oeuvre, la couche de matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré constitue à elle seule l'intégralité du substrat situé sous la couche d'isolement. Dans une autre variante de mise en oeuvre, la couche de matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré est associée à une couche semi-conductrice faiblement dopée pour constituer le substrat situé sous la couche d'isolement. Bien entendu, et comme l'homme de métier saura, cas par cas, faire les choix possibles qui s'imposent, la couche active semi-conductrice et le substrat peuvent être réalisés en des matériaux connus de façon classique pour leurs propriétés semi-conductrices ou isolantes. A titre d'exemple, le substrat peut être en silicium et la couche d'isolement en oxyde de silicium ; dans d'autres réalisations, le substrat, la zone active et la couche d'isolement sont des composés binaires, ternaires ou quaternaires d'éléments chimiques choisis dans les groupes Il, III, V et VI de la classification périodique des éléments. De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant aux figures 3 et 4 suivantes qui illustrent à titre non limitatif des structures semi-conductrices conformes à l'invention. La figure 3 montre une structure du premier type dans lequel le substrat est intégralement constitué par une couche fortement dopée ou dégénérée. La figure 4 illustre une structure dans laquelle le -substrat est lui-même constitué de deux couches adjacentes, à savoir une première couche fortement dopée ou dégénérée située sous la couche isolante, et une seconde couche semi-conductrice faiblement dopée sous la couche fortement dopée. Dans le mode de mise en oeuvre de La figure 3, La structure semi-conductrice représentée comporte une partie active 1 d'une épaisseur d'environ 0,15 micromètre, une couche d'isolement 2 d'une épaisseur d'environ 0,35 micromètre et un substrat 4 fortement dopé ou dégénéré d'une épaisseur de 300 à 500 micromètres selon les cas. Une telle structure peut être réalisée de toute façon connue. La structure de la figure 3 peut être obtenue par exemple en partant de la couche de substrat 4 fortement dopée ou dégénérée sur laquelle on épitaxie quelques micromètres d'une couche semi-conductrice faiblement dopée. On implante ensuite des ions oxygène dans cette couche faiblement dopée pour créer la couche isolante 2 d'oxyde de silicium et l'on recuit l'ensemble pour supprimer le résidu de la couche faiblement dopée située entre la couche isolante de silice et le substrat fortement dopé 4. Bien entendu, dans la structure de la figure 3, on peut utiliser d'autres composés pour réaliser la couche d'isolement 2 tels que par exemple L'oxyde de zirconium yttrié, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium, le fluorure de calcium, etc. Sur la figure 4, on a décrit une structure semi-conductrice du deuxième type, à -savoir dans lequel le substrat situé sous la couche d'isolement 2 est lui-même constitué de deux couches, à savoir une première couche mince 4 (0,5 micromètre) d'un semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré et une couche 3 d'une épaisseur de 300 à 500 micromètres d'un semi-conducteur faiblement dopé. Pour réaliser une structure du type de celle de la figure 3, on peut par exemple partir d'une couche du matériau faiblement dopé 3 dans laquelle on pratique une implantation ionique d'une couche fortement dopée ou dégénérée 4 à plus grande profondeur que la couche d'isolement 2 et ceci avant ou après la fabrication de cette couche d'isolement 2. Selon l'invention, les matériaux du substrat, de la zone active et de la couche d'isolement, aussi bien dans les structures du premier type (figure 3) que dans celles du deuxième type (figure 4) peuvent être réalisés à l'aide de composés binaires, ternaires ou quaternaires appartenant aux groupes Il, III, V et VI de la classification périodique des éléments. REVENDICATIONS 1. Structure semi-conductrice pour composants microélectroniques à haute résistance contre les radiations ionisantes, notamment les ions à grande énergie du rayonnement cosmique, comportant une couche active semi-conductrice (1) placée à la surface d'une couche d'isolement (2), caractérisée en ce que le substrat situé sous la couche d'isolement comporte une couche d'un matériau semi-conducteur (4) fortement dopé ou dégénéré, de type N ou P, située directement sous la couche d'isolement (2). 2. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré (4) constitue à elle seule l'intégralité du substrat situé sous la couche d'isolement (2). 3. Structure semi-conductrice selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de matériau semi-conducteur fortement dopé ou dégénéré (4) est associée à une couche semi-conductrice (3) faiblement dopée pour constituer le substrat situé sous la couche d'isolement. 4. Structure semi-conductrice selon L'une des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisée en ce que la couche active semi-conductrice (1) et le substrat (4) sont en silicium, la couche d'isolement (2) étant en oxyde de silicium. 5. Structure semi-conductrice selon l'une des revendications 1 à 3 précédentes, caractérisée en ce que les matériaux constituant le substrat (3, 4), la zone active (1) et la couche d'isolement (2) sont des composés binaires, ternaires ou quaternaires d'éléments chimiques choisis dans les groupes Il, III, V et VI de la classification périodique des éléments.