Brevet FR2662854A1 — publié le 19911206

STRUCTURE DE TROU DE CONNEXION ISOLEE POUR DES DISPOSITIFS A SEMICONDUCTEURS ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne une structure de trou de connexion perfectionnée pour des dispositifs à semiconducteurs, en particulier pour des transistors à effet de champ, et elle concerne également des dispositifs à semiconducteurs perfectionnés qui comprennent la struc- ture de trou de connexion perfectionnée, ainsi qu'un pro- cédé de fabrication des structures de trou de connexion perfectionnées. La figure 5 est une coupe d'un transistor à effet de champ classique qui est constitué par des matériaux semiconducteurs composés La coupe de la figure 5 montre un transistor et une partie d'un autre transistor qui appar- tiennent à un plus grand groupe de transistors interconnec- tés, formés sur un substrat commun Le transistor comprend un substrat semi-isolant 1, par exemple en arséniure de gallium sur lequel sont formées successivement une couche tampon 2 et une couche active 3 Les couches 2 et 3 ont des types de conductivité opposés, et la couche active 3 est généralement de type n Une électrode de source 4, une électrode de grille 5 et une électrode de drain 6 sont formées sur la couche active 3 L'intensité du courant qui circule entre les électrodes de source et de drain, à tra- vers la couche active 3, est commandée par le signal qui est appliqué à l'électrode de grille 5, qui forme générale- ment une barrière de Schottky avec la couche active 3. Le substrat 1 est placé sur un radiateur déposé 7, c'est-à-dire un radiateur formé par une opération de métallisation, qui est connecté à la masse dans la plupart des circuits qui comprennent la structure représentée De façon similaire, l'électrode de source 4 est habituellement connectée à la masse La connexion de masse allant de l'électrode de source 4 au radiateur déposé 7 est réalisée par l'intermédiaire d'une structure de trou de connexion 8. La structure de trou de connexion 8 comprend un trou qui traverse la couche active 3, la couche tampon 2 et le subs- trat 1 jusqu'au radiateur déposé 7, ce trou étant défini par une paroi latérale 9 de ces couches et par le substrat, et la structure 8 comprend également un matériau conducteur de l'électricité 10, tel que de l'or, qui est placé à l'in- térieur du trou de connexion, en contact avec la paroi latérale 9, le radiateur déposé 7 et l'électrode de source 4 Le matériau conducteur de l'électricité 10 connecte électriquement l'électrode de source 4 au radiateur déposé 7 La structure de trou de connexion 8 procure une con- nexion de masse ayant une inductance relativement faible pour l'électrode de source 4 L'électrode de drain 6 est connectée par une métallisation 11 à une autre partie du circuit Le matériau conducteur de l'électricité 10 con- necte également l'électrode de source 4 à une autre élec- trode de source 4 d'un transistor adjacent. Dans le dispositif classique, la structure de trou de connexion 8 est formée après la croissance de la couche tampon 2 et de la couche active 3 sur le substrat 1. En utilisant des techniques photolithographiques classi- ques, avant ou après la formation du radiateur déposé 7, on grave le trou de connexion a travers le substrat et les couches tampon et active Après le dépôt de l'électrode de source 4 et la gravure du trou de connexion, on dépose le matériau conducteur de l'électricité 10 dans le trou de connexion, et en contact avec l'électrode de source 4, en utilisant des techniques classiques telles que le dépôt en phase vapeur et le décollement. Dans le transistor à effet de champ classique de la figure 5, la couche tampon 2 et la couche active 3 sont directement en contact avec le matériau conducteur de l'électricité 10 de la structure de trou de connexion 8. Une jonction p-n est formée entre la couche active 3 et la couche tampon 2 De façon générale, le courant qui circule dans la couche active 3 entre les électrodes de source et de drain ne peut pas entrer dans la couche tampon 2 ou sortir de celle-ci, par l'action de l'une au moins des jonctions pn qui s'étendent au-dessous de l'électrode de source 4 et de l'électrode de drain 6 Habituellement, l'une au moins de ces jonctions est polarisée en inverse. Cependant, le matériau conducteur de l'électricité adja- cent, 10, de la structure de trou de connexion 8 peut court-circuiter la jonction polarisée en inverse qui s'étend au-dessous de l'électrode de source 4 Par consé- quent, dans certaines conditions de polarisation, un cou- rant de fuite indésirable peut circuler entre l'électrode de drain 6 et l'électrode de source 4, en traversant la couche active 3, la couche tampon 2 et le matériau conduc- teur de l'électricité 10. Un but de l'invention est d'éliminer la circula- tion d'un courant de fuite entre des couches de semiconduc- teurs ayant des types de conductivité opposés, qui sont en contact avec le matériau conducteur de l'électricité d'une structure de trou de connexion. Un but supplémentaire de l'invention est de pro- curer un transistor à effet de champ comprenant une élec- trode de source ou de drain connectée électriquement par une structure de trou de connexion à la surface arrière du substrat du transistor à effet de champ, sans une circula- tion de courant parasite entre l'électrode qui est mise à la masse et l'autre électrode parmi les électrodes de source et de drain, ce courant circulant par un chemin qui comprend un matériau conducteur de l'électricité de la structure de trou de connexion. Un aspect de l'invention procure un dispositif à semiconducteurs comprenant un substrat semiconducteur, des première et seconde couches de semiconducteurs ayant des types de conductivité opposés, qui sont formées successi- vement sur le substrat semiconducteur, et une structure de trou de connexion, comprenant un trou qui traverse les première et seconde couches de semiconducteurs et qui pénè- tre dans le substrat, ce trou étant défini par une paroi latérale des première et seconde couches et du substrat, un matériau conducteur de l'électricité formé sur la paroi latérale, en contact avec les première et seconde couches de semiconducteurs, et une région électriquement isolante qui est formée dans les première et seconde couches, sur la paroi latérale et en contact avec le matériau conducteur de l'électricité de la structure de trou de connexion. Selon un autre aspect de l'invention, on fabrique un dispositif à semiconducteurs par les opérations suivan- tes: on dépose sur un substrat semiconducteur des première et seconde couches de semiconducteurs ayant des types de conductivité opposés, on expose la seconde couche de semi- conducteur à un flux d'ions, pour produire une région élec- triquement isolante dans les première et seconde couches de semiconducteurs, cette région électriquement isolante tra- versant les première et seconde couches de semiconducteurs et pénétrant dans le substrat semiconducteur, on grave un trou de connexion qui traverse les première et seconde couches de semiconducteurs, à l'intérieur de la région électriquement isolante, et qui pénètre dans le substrat semiconducteur, ce qui a pour effet de mettre à nu une paroi latérale des première et seconde couches de semicon- ducteurs à l'intérieur de la région électriquement iso- lante, et on dépose un matériau conducteur de l'électricité dans le trou de connexion, en contact avec la paroi laté- rale des première et seconde couches de semiconducteurs dans la région électriquement isolante, ce qui achève la réalisation d'une structure de trou de connexion dans la- quelle les première et seconde couches de semiconducteurs ne sont pas connectées électriquement par l'intermédiaire du matériau conducteur de l'électricité. Selon un aspect supplémentaire de l'invention, un procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteurs comprend les opérations suivantes: on dépose sur un subs- trat semiconducteur des première et seconde couches de semiconducteurs ayant des types de conductivité opposés, on grave un trou de connexion qui traverse les première et seconde couches de semiconducteurs et qui pénètre dans le substrat semiconducteur, pour mettre ainsi à nu une paroi latérale des première et seconde couches de semiconduc- teurs, on expose la surface de la seconde couche de semi- conducteurs à un flux d'ions, pour produire une région électriquement isolante dans les première et seconde cou- ches de semiconducteurs, cette région traversant les pre- mière et seconde couches de semiconducteurs et pénétrant dans le substrat semiconducteur, autour du trou de conne- xion, pour produire une région électriquement isolante qui est adjacente à la paroi latérale, et on dépose un matériau conducteur de l'électricité dans le trou de connexion, en contact avec la paroi latérale des première et seconde cou- ches de semiconducteurs, dans la région électriquement isolante, ce qui achève la réalisation d'une structure de trou de connexion dans laquelle les première et seconde couches de semiconducteurs ne sont pas connectées électri- quement par l'intermédiaire du matériau conducteur de l'électricité. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une coupe d'un dispositif à semi- conducteurs comprenant une structure de trou de connexion conforme à un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est une coupe d'un dispositif à semi- conducteurs comprenant une structure de trou de connexion conforme à un autre mode de réalisation de l'invention. Les figures 3 (a) 3 (d) illustrent des étapes d'un procédé de fabrication d'une structure de trou de connexion conforme à un mode de réalisation de l'invention. Les figures 4 (a) 4 (d) illustrent des étapes d'un procédé de fabrication d'une structure de trou de connexion conforme à un autre mode de réalisation de l'in- vention. La figure 5 est une coupe d'un dispositif à semi- conducteurs classique, comprenant une structure de trou de connexion. La figure 1 est une coupe d'un transistor à effet de champ comprenant une structure de trou de connexion conforme à un mode de réalisation de l'invention Dans toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes références numériques Dans la structure qui est représentée sur la figure 1, un substrat semiconducteur 1, consistant par exemple en arséniure de gallium semi- isolant, peut avoir une épaisseur de 30 à 150 microns La couche tampon 6, qui a un type de conductivité opposé à celui de la couche active 3, a une épaisseur caractéristi- que d'environ 1 micron La couche active 3 est relativement mince, et son épaisseur est par exemple de quelques cen- taines de manomètres. La structure de trou de connexion 18 comprend un trou de connexion qui traverse la couche active 3, la couche tampon 2 et le substrat 1 Un matériau conducteur de l'électricité 10, tel que de l'or, est déposé dans le trou de connexion, en contact avec la paroi latérale du trou de connexion 9 dans le substrat et dans les couches tampon et active, et en contact avec l'électrode de source 4 De plus, contrairement à la structure de trou de connexion 8 de la figure 5, la structure de trou de connexion 18 de la figure 1 comprend une région électriquement isolante 20 qui s'étend à partir de la paroi latérale 9 dans la couche active 3, dans la couche tampon 2 et dans une partie du substrat 1. On forme la région électriquement isolante 20 en soumettant la région adjacente au trou de connexion à un flux de protons (c'est-à-dire d'ions hydrogène), d'ions oxygène, ou autres Il est bien connu qu'un flux de protons endommage un matériau semiconducteur monocristallin, ce qui provoque la formation d'une région électriquement isolante aux endroits qui reçoivent les protons De façon similaire, sous l'effet d'ions oxygène incidents, les matériaux semi- conducteurs cristallins forment des régions électriquement isolantes ou semi-isolantes aux endroits qui reçoivent ces ions, cette transformation résultant de l'endommagement du cristal et/ou de la génération de niveaux d'impuretés profonds Le flux de protons, d'ions oxygène ou autres est dirigé vers le substrat et il est limité à la zone du trou de connexion, pour former la région électriquement isolante en utilisant des techniques identiques à celles que l'on emploiedans le dopage par implantation ionique De façon caractéristique, la région électriquement isolante 20 a une profondeur de 2 à 50 microns à partir de la surface qui reçoit les ions, et par conséquent cette région traverse la couche active et la couche tampon et pénètre dans le substrat. La région électriquement isolante 20 empêche que le matériau conducteur de l'électricité 10 de la structure de trou de connexion 18 ne court-circuite la jonction pn entre la couche active 3 et la couche tampon 2 Par consé- quent, indépendamment de la polarisation électrique qui est appliquée entre les électrodes de source et de drain, un courant de fuite ne peut pas circuler dans un chemin pas- sant par la couche active 3, la couche tampon 2 de type de conductivité opposé, et le matériau conducteur de l'élec- tricité 10 de la structure de trou de connexion 18, vers l'électrode de source 4. La figure 2 est une coupe d'une autre structure possible pour un dispositif à semiconducteurs comprenant une structure de trou de connexion 19 conforme à un autre mode de réalisation de l'invention Dans la structure de la figure 1, le trou de connexion s'étend à partir de la sur- face du dispositif, c'est-à-dire la couche active 3, o se trouvent les électrodes de source, de grille et de drain, et il traverse le substrat 1 jusqu'au radiateur déposé 7. Dans la structure de la figure 2, le trou de connexion s'étend à partir de l'arrière du substrat 1 jusqu'à la sur- face de la couche active 3 sur laquelle se trouvent les électrodes de source, de grille et de drain La structure de la figure 2 ne comporte pas de radiateur déposé 7 A la place, le matériau conducteur conducteur de l'électricité de la structure de trou de connexion 19 est continu, à la fois à l'intérieur du trou de connexion et sur la sur- face arrière du substrat 1, pour établir une connexion de masse Du fait de la différence dans la structure du trou de connexion, une électrode 21 s'étend jusqu'à l'électrode de source 4, alors que cette connexion est réalisée par le matériau conducteur de l'électricité 10 dans la structure de la figure 1 La structure de la figure 2 empêche la cir- culation d'un courant de fuite, comme c'est le cas pour la structure de la figure 1. On a décrit les modes de réalisation précédents en considérant la mise à la masse de l'électrode de source d'un transistor à effet de champ Selon une variante, on pourrait mettre à la masse l'électrode de drain En outre, bien que les exemples concernent un transistor à l'arsé- niure de gallium, la structure de trou de connexion qui est décrite peut être employée avec des dispositifs fabriqués à partir d'autres matériaux semiconducteurs composés, comme le phosphure d'indium et le silicium L'invention n'est pas limitée à un matériau semiconducteur particulier ou à un dispositif semiconducteur particulier, tel qu'un transistor à effet de champ, mais présente une plus vaste utilité dans la technologie des semiconducteurs. Les figures 3 (a)-3 (d) et les figures 4 (a)-( 4 d) illustrent schématiquement deux procédés possibles pour former une structure de trou de connexion comportant une région électriquement isolante qui empêche la circulation d'un courant de fuite entre des couches adjacentes à la couche conductrice de l'électricité de la structure de trou de connexion, et venant en contact avec cette couche con- ductrice Sur la figure 3 (a), après la croissance de la couche tampon 2 et de la couche active 3, ayant des types de conductivité opposés, on forme les électrodes de source, de grille et de drain sur la couche active. Comme l'indique la figure 3 (b) on projette sur une partie limitée de la couche active, définie par un mas- que (non représenté), un flux 23 de protons ou d'ions oxygène ou d'une autre espèce, pour produire une région semi-isolante ou à résistivité élevée dans les couches active et tampon et dans le substrat Les ions traversent la couche active et la couche tampon et pénètrent dans le substrat, en produisant une région électriquement isolante 20, qui est isolante ou semi-isolante au point de vue électrique. Comme le montre la figure 3 (c), après avoir défini un motif dans un masque (non représenté), on forme le trou de connexion par une opération de gravure qui met à nu la paroi latérale 9 La gravure de la couche active 3 et de la couche tampon 2 est limitée à la région à résistivité élevée, de façon à laisser la région électriquement iso- lante 20 sur la paroi latérale 9 qui définit le trou de connexion Ensuite, comme le montre la figure 3 (d), en uti- lisant des techniques de dépôt classiques, on dépose dans le trou de connexion et sur la paroi latérale 9 le matériau conducteur de l'électricité 10 de la structure de trou de connexion, ce matériau venant également en contact avec l'électrode de source 4, de façon à achever la structure de trou de connexion La figure 3 (d) montre également un tran- sistor à effet de champ qui est formé en association avec la structure de trou de connexion 18, comprenant un radia- teur déposé sur la surface arrière du substrat 1. Les figures 4 (a) 4 (d) illustrent le même pro- cessus, à l'exception du fait que la séquence des étapes d'implantation et de gravure est inversée La figure 4 (a) est identique à la figure 3 (a) Comme le montre la figure 4 (b), le trou de connexion est gravé en utilisant des tech- niques de masquage photolithographiques classiques, pour mettre à nu la paroi latérale 9 Ensuite, comme l'indique la figure 4 (c), on projette sur la structure le flux d'ions 23 qui produit la région semi-isolante ou à résistivité élevée 20, à la périphérie du trou de connexion Enfin, on accomplit l'étape de dépôt de la figure 4 (d), pour déposer le matériau conducteur de l'électricité 10 de la structure de trou de connexion 18 La figure 4 (d) est identique à la figure 3 (d) et elle comprend un transistor à effet de champ ainsi qu'un radiateur déposé 7. Les figures 3 (a) 3 (d) et 4 (a) 4 (d) concernent plus particulièrement la structure qui est représentée sur la figure 1 Des étapes similaires sont accomplies dans la fabrication de la structure de la figure 2 Comme il res- sort de la figure 2, le flux d'ions tombe sur la couche active 3 pour former la région électriquement isolante 20. Si le trou de connexion doit être gravé après le traitement il ionique, une opération d'alignement d'un masque de gravure avec la région électriquement isolante doit être effectuée à partir de la surface arrière du substrat, c'est-à-dire la surface opposée à celle qui reçoit le flux d'ions Cepen- dant, ni cette étape d'alignement, qui peut être accomplie avec de la lumière infrarouge lorsque le substrat est en arséniure de gallium, ni les autres processus de fabrica- tion décrits ici qui exigent des opérations d'alignement de masques de gravure, de masques d'implantation ionique, de masques de décollement et de flux d'ions, ne présentent des problèmes d'alignement inhabituels On peut obtenir des alignements satisfaisants avec la technologie de traitement de dispositifs à semiconducteurs existante L'invention permet donc de former de façon fiable une structure de trou de connexion comprenant une région électriquement isolante dans des couches de semiconducteurs, et adjacente à un trou de connexion, pour éviter la mise en court-circuit de cou- ches de semiconducteurs adjacentes ayant des types de con- ductivité opposés, dans un transistor à effet de champ ou une autre structure de dispositif à semiconducteurs, par le matériau conducteur de l'électricité qui fait partie de la structure de trou de connexion. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif à semiconducteurs comprenant: un substrat semiconducteur ( 1) ; et des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), ayant des types de con- ductivité opposés, formées successivement sur le substrat semiconducteur ( 1); et caractérisé en ce qu'il comprend une structure de trou de connexion ( 18), comprenant un trou qui traverse les première et seconde couches de semiconduc- teurs ( 2, 3) et le substrat ( 1), ce trou étant défini par une paroi latérale ( 9) des première et seconde couches ( 2, 3) et du substrat ( 1), un matériau conducteur de l'électri- cité ( 10) formé sur la paroi latérale ( 9), en contact avec les première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), et une région électriquement isolante ( 20) formée dans les première et seconde couches ( 2, 3), au niveau de la paroi latérale ( 9), et en contact avec le matériau conducteur de l'électricité ( 10). 2 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, comprenant une électrode de source ( 4), une élec- trode de grille ( 5) et une électrode de drain ( 6), toutes formées sur la seconde couche de semiconducteurs ( 3), caractérisé en ce que le matériau conducteur de l'électri- cité ( 10) est en contact électrique avec l'une des élec- trodes de source et de drain ( 4, 6). 3 Procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteurs, caractérisé par les étapes suivantes: on dépose sur un substrat semiconducteur ( 1) des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3) ayant des types de conductivité opposés; on expose la seconde couche de semiconducteurs ( 3) à un flux d'ions ( 23), pour produire une région électriquement isolante ( 20) dans les première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), cette région isolante traversant ces couches et pénétrant dans le subs- trat semiconducteur ( 1); on grave un trou de connexion à travers les première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), dans la région électriquement isolante ( 20), pour mettre ainsi à nu une paroi latérale ( 9) des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), à l'intérieur de la région électriquement isolante ( 20); et on dépose un matériau conducteur de l'électricité ( 10) dans le trou de connexion, en contact avec la paroi latérale ( 9) des pre- mière et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), dans la région électriquement isolante ( 20), pour achever ainsi la fabrication d'une structure de trou de connexion ( 18) dans laquelle les première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3) ne sont pas connectées électriquement par le maté- riau conducteur de l'électricité ( 10). 4 Procédé selon la revendication 3, comprenant le dépôt d'électrodes de source ( 4), de grille ( 5) et de drain ( 6) sur la seconde couche de semiconducteurs ( 3), pour former un transistor à effet de champ, et caractérisé en ce qu'on dépose le matériau conducteur de l'électricité ( 10) en contact électrique avec l'une des électrodes de source et de drain ( 4, 6). 5 Procédé selon la revendication 3, dans lequel le substrat ( 1) est semiisolant, caractérisé en ce qu'on dépose un radiateur ( 7) sur la surface du substrat ( 1) qui est opposée à la première couche de semiconducteur ( 2). 6 Procédé de fabrication d'un dispositif à semiconducteurs, caractérisé par les étapes suivantes: on dépose sur un substrat semiconducteur ( 1) des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3) ayant des types de conductivité opposés; on grave un trou de connexion traversant les première et seconde couches de semiconduc- teurs ( 2, 3) et le substrat semiconducteur ( 1), pour mettre ainsi à nu une paroi latérale ( 9) des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3); on expose à un flux d'ions ( 23) la surface de la seconde couche de semiconduc- teur ( 3), pour produire une région électriquement isolante ( 20) dans les première et seconde couches de semiconduc- teurs ( 2, 3), cette région isolante traversant les première et seconde couches de semiconducteurs et pénétrant dans le substrat semiconducteur ( 1) autour du trou de connexion, pour produire une région électriquement isolante ( 20) adjacente à la paroi latérale ( 9); et on dépose un matériau conducteur de l'électricité ( 10) dans le trou de connexion, en contact avec la paroi latérale ( 9) des première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3), au niveau de la région électriquement isolante ( 20), pour achever ainsi la réalisation d'une structure de trou de connexion ( 18) dans laquelle les première et seconde couches de semiconducteurs ( 2, 3) ne sont pas connectées électriquement par le maté- riau conducteur de l'électricité ( 10). 7 Procédé selon la revendication 6, dans lequel on dépose des électrodes de source ( 4), de grille ( 5) et de drain ( 6) sur la seconde couche de semiconducteur ( 3) pour former un transistor à effet de champ, et caractérisé en ce qu'on dépose le matériau conducteur de l'électricité ( 10) en contact électrique avec l'une des électrodes de source et de drain ( 4, 6). 8 Procédé selon la revendication 6, dans lequel le substrat ( 1) est semiisolant, caractérisé en ce qu'on dépose un radiateur ( 7) sur le substrat, sur la surface opposée à la première couche de semiconducteur ( 2).