Brevet FR2728387A1 — publié le 19960621

PROCEDE DE FABRICATION D'UN TRANSISTOR BIPOLAIRE La présente invention concerne la fabrication d'un dispositif à semiconducteurs, et plus particulièrement un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire dans lequel émetteur, base et collecteur sont autoréglés verticalement. Pour ameliorer les caractéristiques de fonctionnement d'un dispositif commutateur à semi- conducteurs dans le domaine semi-conducteur, plusieurs types de transistors bipolaires à hété- rojonction ont été développés. Typiquement, l'un de ceux-ci a une base en SiGe qui se substitue à une base en silicium et possède une caractéristique de rétrécissement de la bande d'énergie in- terdite et de calibre dépendant de la teneur en Ge dans la base en SiGe. Comme un tel transistor bipolaire à hétérojonction, de manière similaire à un transistor à homojonction bien connu, est fabriqué en utilisant un polysilicium comme matériau pour former les régions de base et d'émetteur ainsi qu'une source de diffusion d'impureté de la région d'émetteur, et en utilisant une base en SiGe de manière à augmenter le rendement d'injection de 1!5 l'émetteur, et comme la région de base est formée par un film ultramince dopé avec une impu- reté à forte concentration, le transistor bipolaire à hétérojonction est sensiblement amélioré au niveau de son gain en courant et de sa vitesse de commutation. Récemment, l'intégration d'un dispositif à semi-conducteurs étant de plus en plus augmen- tée, c'est-à-dire qu'un dispositif à semi-conducteurs est encore plus réduit de taille, une crois- sance épitaxiale sélective a été développée pour réduire la capacité parasite apparaissant dans une base sur une région active du dispositif et apparaissant entre la base et le collecteur de celui- ci. De même, pour former une electrode de base mince, un siliciure métallique (TiSi2) est utilisé à la place d'un polysilicium. La Figure 1 montre la construction d'un transistor bipolaire à hétérojonction de l'art anté- rieur dans lequel une base est formée par croissance épitaxiale sélective à autoréglage. Le procédé de fabrication du transistor bipolaire à hétérojonction de l'art antérieur va être décrit ci-dessous en se référant à la Figure 1. Tout d'abord, après avoir formé séquentiellement un sous-collecteur 1 de type n+, un col- leçteur 3 de type n+ et un puits de collecteur 16 sur un substrat 1, une isolation par tranchée est réalisée pour former une tranchée dans le substrat 1. La tranchée est alors remplie d'un matériau isolant pour former une couche isolante 4 destinée à isoler le dispositif. Une région active du transistor est également définie en formant un motif composé d'une couche isolante 5, d'une couche 6 de polysilicium de type pl, d'une couche isolante 7 et d'une couche 8 de nitrure de paroi latérale, puis une impureté est formée par implantation ionique dans la région active pour former une région 9 de collecteur de type n, ce qui permet d'améliorer la caractéristique en courant fort du transistor Puis, dans la région active ainsi formée, une base 10 en SiGe servant de base intrinsèque et une couche 1 1 de polysiliciurn destinée à former une connexion électrique entre la couche 6 de polysilicium de type p+ et la base 10 sont formées séquentiellement par croissance en utili- sant une MBE (épitaxie par faisceau moléculaire) à source gazeuse. Ainsi, la région à capacité -?:... -..' - - parasite formée entre le collecteur et la base se limite seulement à la largeur de la couche 11 de polysilicium. - Enfin, après avoir formé une couche 12 d'isolation de paroi latérale sur la base intrinsèque -: -_10 par un procédé de gravure anisotrope bien connu, un émetteur 13 est auto-réglé et une élec- trode 15 est formée sur celui-ci, comme le montre la Figure 1. "'--. - Comme évoqué précédemment, la base intrinsèque 10 est composée de SiGe afin d'aug- f'-':f'b''menter l'efficacité d'injection de l'émetteur, et les couples collecteur-base et émetteur-base sont auto-réglés. De plus, comme la région de la base présentant une capacité parasite se limite à une région correspondant à la couche 8 de nitrure de paroi latérale et à la couche 12 d'isolation de -'-' '.- 10 paroi latérale, la capacité parasite peut être réduite de façon dépendante en contrôlant la largeur totale des couches de nitrure et d'isolation de paroi latérale, respectivement 8, 12. Cependant, dans la séquence de fabrication, il n'est pas désirable de former la couche 11 de polysilicium avec un motif prédéterminé en utilisant une gravure humide horizontale de la couche isolante 5 et de définir la région à capacité parasite entre le collecteur et la base, car une - 15 telle séquence de fabrication est sérieusement déficiente en terme de stabilité d'ensemble et de ó::' reproductibilité. En conséquence, la performance du dispositif ainsi fabriqué est sérieusement tamoindrie. De plus, pour former la base 10 et la couche 11 de polysilicium, une croissance de film ex- M>7 trê mement mince et sélective doit être réalisée deux fois. Comme les matériaux des composants :. --:, 20 sont également différents les uns des autres, les procédés de formage de ceux-ci sont très corn- -,..:. plexes. Ainsi, survient le problème d'une réduction du rendement de production. .. De plus, si un polysilicium est formée par croissance extrêmement lente sur la base 10 à film mince, survient le problème qu'une telle base à film extrêmement mince exerce une influen- ce très néfaste sur le dispositif par suite de la présence d'un défaut dans celui-ci. Un objectif de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication d'un transistor bipolaire dans lequel émetteur, base et collecteur sont auto-réglés verticalement, de manière à ::'.":'simplifier sa séquence de fabrication et améliorer son intégration et ses performances. Selon l'aspect de la présente invention, le procédé de fabrication d'un transistor bipolaire - comprend les étapes consistant à former une région de collecteur enfouie conductrice dans un -:' _- 30 substrat en silicium par implantation ionique d'une impureté et recuit thermique; former l'une après l'autre une première couche d'oxyde de silicium, une première couche de nitrure, une -W:'. première couche de polysilicium, une couche d'oxyde, une deuxième couche de nitrure et une À - deuxième couche de polysilicium dopée avec une impureté; éliminer sélectivement les deuxiè- ,...,- mes couches de nitrure et de polysilicium pour former un motif; former l'une après l'autre une --:.: 3 35 deuxième couche d'oxyde de silicium, une troisième couche de niture et une troisième couche ÀX - collecteur sur une portion de surface de la région de collecteur enfouie jusqu'à une surface infé- rieure de la deuxième couche de polysilicium; éliminer la paroi latérale et la troisième couche de -:. " -?'L -:a_.d'-' _it,. 'k- '.'- _..L.-.-------_.f. .:---- _-._, -: ">P e}j- nitrure pour mettre à nu une surface latérale de la deuxième couche de polysilicium; former sé- lectivement une base sur une surface supérieure du collecteur comprenant une surface latérale de la deuxième couche de polysilicium; former une première couche d'oxyde de paroi latérale sur - les deux côtés de la base et la deuxième couche d'oxyde de silicium pour définir une région - -. 5 d'émetteur; former un émetteur sur la base; et former des électrodes par-dessus. :- ': Dans ce procédé, l'étape consistant à éliminer les diverses couches sur la région active pour former l'ouverture comprend de plus le fait de former une deuxième couche d'oxyde de paroi latérale sur une surface latérale mise à nu de la première couche de polysilicium. Dans ce procédé, l'étape consistant à former la deuxième couche d'oxyde de paroi latérale -':- 10 comprend le fait d'éliminer la couche d'oxyde et la première couche de polysilicium formées sur :-'-:-la région active, de procéder à un recuit thermique pour oxyder une partie mise à nu de la première couche de polysilicium et de former une première couche d'oxyde de paroi latérale dans celle-ci, et d'éliminer les premières couches de nitrure et d'oxyde de silicium sur la région active pour mettre à nu une portion de surface de la région de collecteur enfouie. Dans ce procédé, l'étape consistant à former le collecteur comprend simultanément le fait z3-_5.ç de procéder à une injection d'impureté en même temps qu'une croissance cristalline seélective, permettant ainsi au collecteur d'avoir une conductivité. :-.r --: Dans ce procédé, l'étape consistant à former le collecteur comprend le fait de former une couche de silicium monocristallin sur la surface exposée de la région de collecteur enfouie par croissance cristalline sélective avant d'injecter une impureté dans la couche de silicium mono- cristallin. -: - Dans ce procédé, la base est composée d'une couche de SiGe monocristallin dopée avec -t - ^- une impureté ayant une concentration élevée de 1 x 1018 cm'3 ou plus. ô-:.':--- Dans ce procédé, la base est composée de l'une d'une couche SiGe/Si et d'une couche :-:&:: 25 Si/SiGe/Si. Dans ce procédé, la teneur en Ge dans la base varie de façon linéaire entre le bas et le haut de la base. En outre, la teneur en Ge dans la base est constante dans le domaine de 3 % ou moins. Dans ce procédé, la teneur en Ge dans la base varie de façon linéaire entre le bas et le haut - -:30 de la base dans le domaine de 30 % à 0 %. Dans ce procédé, la teneur en Ge dans la base est constante entre le bas et une hauteur pré- - '. -: déterminée de la base dans le domaine de 30 % ou moins, et varie de façon linéaire entre la hau- teur prédéterminée et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0%. ^,'L'/-: sDans ce procédé, la teneur en Ge dans la base varie de façon linéaire entre le bas et une hauteur prédéterminée de la base dans le domaine de 0 % à 30 %,et varie entre la hauteur pré- --:d (:déterminée et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0 %. -:':: Dans ce procédé, la première couche d'oxyde de paroi latérale est composée de l'un d'un verre au borosilicate contenant du bore et d'un verre au phosphosilicate contenant du phospho- re. Par le procédé de fabrication, une région active est définie par photolithographie et, de la :.;: -=7. sorte, une isolation par tranchée agissant comme facteur d'abaissement de l'intégration et des -* - performances du dispositif peut être omise dans le procédé. En conséquence, la séquence de fa- brication peut être simplifiée et l'intégration peut être ameéliorée. En outre, la capacité parasite peut être sensiblement réduite car les couches isolantes for- mées entre un substrat et une électrode de connexion peuvent être contrôlées par plusieurs films minces qui sont imprimés par photolithographie. En conséquence, la reproductibilité des tran- sistors bipolaires et leur rendement de production peuvent être considérablement amnéliorés. La présente invention pourra être mieux comprise et son objectif apparaîtra aux spécialistes en la matière en se référant aux dessins joints, comme suit: La Figure 1 est une vue en coupe montrant une construction typique d'un transistor bipo- - laire à hétérojonction selon l'art antérieur dans lequel une base est formée par croissance épi- taxiale selective auto-réglée; La Figure 2 est une vue en coupe montrant la construction du transistor bipolaire qui est fa- briqué selon le procédé de fabrication de la présente invention; et Les Figures 3A et 3J sont des vues en coupe montrant les proc&édés de fabrication du tran- : - - sistor bipolaire selon le mode de réalisation de la présente invention. Se référant à la Figure 2, dans le transistor bipolaire fabriqué selon le procédé de la présen- te invention, comme émetteur 34, base 32 et collecteur 31 sont autoréglés verticalement, il est À-:: -: ' possible d'échanger l'un pour l'autre l'émetteur et le collecteur. De plus, comme une région active est définie par photolithographie, technique bien connue dans l'art, il n'est pas nécessaire de former une tranchée pour l'isolation du dispositif. ! Dans ce qui suit, le procédé de fabrication d'un transistor bipolaire selon la présente inven- tion va être décrit en détail en se référant aux Figures 3A à 3J. *o:. Comme le montre la Figure 3A, une impureté à concentration élevée est injectée dans un -59- teur enfouie conductrice. Ensuite, sur le substrat 21 en silicium, plusieurs couches, par exemple une couche 23 de SiO2, une couche 24 de nitrure, une couche 25 de polysilieium, une couche 26 d'oxyde, une couche 27 de nitrure et une couche 28 de polysilicium conductrice dopée avec ulne impureté, sont formées l'une après l'autre. Les couches de nitrure et de polysilicium, res- pectivement 27, 28, sont alors partiellement éliminées pour former un motif. De plus, une -_ couche 29 d'oxyde de silicium, une couche 17 de nitrure et une couche 18 d'oxyde de silicium -;) ont formées au-dessus l'une après l'autre. En conséquence, la structure montrée sur la Figure 3A est fabriquée. =_3e;-. En se référant à la Figure 3B, après avoir défini des régions active et inactive en utilisant une couche d'agent photorésistant à motif (non représentée), les diverses couches sur la couche ->--1 26 d'oxyde sont éliminées jusqu'à une surface supérieure de la couche 26 d'oxyde en utilisant la couche d'agent photorésistant à motif comme masque, pour former ainsi une ouverture, puis une paroi latérale 19 est formée sur les deux côtés de rouverture. Ensuite, commne le montre la Figure 3C, la couche 26 d'oxyde exposée et la couche 25 de polysilicium formées sur la région active sont éliminées l'une après l'autre jusqu'à une surface :-:..?* 2728387 supérieure de la couche 25 de nitrure, puis une couche d'oxyde de paroi latérale 30 est formée -' - sur une surface exposée de la couche 25 de polysilicium formée sur la région inactive par recuit thermique. ":-:; 'I De plus, la couche de nitrure exposée 25 et la couche 23 de SiO2 sur la région active sont - - 5 éliminées pour mettre à nu une portion de surface de la région 22 de collecteur enfouie, commnre -.:._.- le montre la Figure 3D. _: _-!: ADans l'ouverture, un collecteur 31 en silicium monocristallin ayant un type de conductivité est formé par croissance sélective sur la portion de surface de la région 22 de collecteur enfouie -: -'- -. jusqu'à une surface inférieure de la couche 28 de polysilicium dopée en impureté, comme le -- j10 montre la Figure 3E. Cest-à-dire que la hauteur du collecteur 31 en silicium monocristallin est --,"-.": contrôlée par l'épaisseur de plusieurs couches formées entre la couche 28 de polysilicium et le -" ?'r- substrat 21. Une impureté est injectée dans le collecteur 31 en silicium monocristallin, permet- - tant ainsi au collecteur 31 en silicium monocristallin d'avoir une conductivité. Dans ce mode de réalisation, il est montré que l'impureté est simultanément injectée pendant la croissance du col- 1 5 lecteur 31 en silicium monocristallin. Cependant, après la formation du collecteur 31 en silicium X-- :-:'-:,b diffusion ionique et recuit thermique, permettant ainsi au collecteur 31 en silicium monocristal- '-'-. lin d'avoir une conductivité. Sur la Figure 3F, la couche de nitrure 17 et la paroi latérale 19 sont éliminées pour mettre à .-_;-. 20 nu une surface latérale de la couche 28 de polysilicium comme région de base.extrinsèque. Ensuite, une base 32 est formée par croissance sélective sur une surface supérieure du collec- -- Comme base extrinsèque 32, un monocristal SiGe, SiGe/Si ou Si/SiGe/Si peut être utilisé. Dans le cas o SiGe est utilisé comme base extrinsèque 32, une concentration en impureté de 1x1018 cm'3 ou plus y est injectée. De plus, dans le cas o SiGe/Si est utilisé comme base ex- trinsèque 32, une concentration en impureté de 1x1018 cm'3 ou plus n'est injectée que dans une surface supérieure de la base extrinsèque 32. La teneur en Ge dans la base en SiGe peut être contrôlée de facçon linéaire. Par exemple, la base en SiGe peut être formée de telle manière que la teneur en Ge est constante dans le domaine de 30 % ou moins, ou la teneur en Ge peut varier de façon linéaire de % jusqu'à 0 % entre le bas et le haut de la base en SiGe. De plus, la base en SiGe peut être À-:..,:': formée de telle manière que sa teneur en SiGe soit constante entre le bas de la base et une hau- teur prédéterminée dans le domaine de 30 % ou moins, et varie de facçon linéaire entre la hauteur --..... prédéterminée et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0 %, ou sa teneur en Ge peut être augmentéede façon linéaire entre le bas de la base et une hauteur prédétermminée dans le domaine -- -? de 0 % à 30 % et diminuée entre la hauteur prédéterminée et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0 %. Ici, le terme "de façon linéaire" signifie que la teneur en Ge de la base varie de -':'.'- manière croissante ou décroissante. De plus, comme le montre la Figure 3H, une couche 33 d'oxyde de paroi latérale est for- mée sur les deux côtés de la base 32 et la couche 29 d'oxyde de silicium pour définir une région d'émetteur, puis un polysilicium injecté avec une concentration en impureté de 1020 cmn3 ou plus est rempli dans l'ouverture pour former un émetteur conducteur 34. Si un transistor n-p-n est fabriqué, un verre au borosilicate contenant du bore est utilisé comme couche 33 d'oxyde de paroi latérale. D'autre part, si un transistor p-n-p est fabriqué, un verre au phosphosilicate contenant du phosphore est utilisé comme couche 33 d'oxyde de paroi latérale. Enfin, comme le montrent les Figures 3I et 3J, après dépôt d'une couche protectrice 35 par-dessus, des trous de contact métalliques pour le collecteur, l'émetteur et la base sont for- més. Puis une métallisation est effectuée pour former des électrodes respectives 36, et le procé- dé de fabrication est ainsi parvenu à son terme. Selon le procédé de fabrication de la présente invention, une région active est définie par photolithographie, et une isolation par tranchée agissant comme facteur d'abaissement de l'inté- gration et des performances du dispositif peut ainsi être omise dans ce procédé. En consé- quence, la séquence de fabrication peut être simplifiée et l'intégration peut être améliorée. De plus, la capacité parasite peut être sensiblement réduite car des couches isolantes for- mées entre un substrat et une électrode de connexion peuvent être contrôlées par plusieurs films minces qui sont imprimés par photolithographie. En conséquence, la reproductibilité des tran- sistors bipolaires et leur rendement de production peuvent être considérablement améliorés. Ainsi, le transistor bipolaire fabriqué selon le procédé de la présente invention est applicable à un système informatique destiné à un traitement d'informations à haute vitesse et présentant une faible consommation énergétique, à un système de communication et analogues. nl va de soi que diverses autres modifications apparaîtront et pourront facilement être ap- portées par les spécialistes en la matière sans s'écarter du cadre ni de l'esprit de la présente in- vention. En conséquence, le cadre des revendications ci-après ne doit pas être considéré comme se limitant à la description exposée ci-dessus, mais les revendications doivent plutôt être consi- dérées comme englobant toutes les caractéristiques de nouveauté brevetable qui résident dans la présente invention, y compris toutes les caractéristiques qui seraient traitées comme équiva- lentes par les hommes de l'art à qui s'adresse cette invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un transistor bipolaire comprenant les étapes consistant à: former une région de collecteur enfouie conductrice dans un substrat en silicium par im- plantation ionique d'une impureté et recuit thermique; former l'une après l'autre une première couche d'oxyde de silicium, une première couche de nitrure, une première couche de polysilicium, une couche d'oxyde, une deuxième couche de nitrure et une deuxième couche de polysilicium dopée avec une impureté; éliminer sélectivement les deuxièmes couches de nitrure et de polysilicium pour former un motif; former l'une après l'autre une deuxième couche d'oxyde de silicium, une troisième couche de nitrure et une troisième couche d'oxyde de silicium par-dessus; former au-dessus une couche d'agent photorésistant à motif pour définir des régions active et inactive, et eéliminer plusieurs couches sur la région active pour former une ouverture; former une paroi latérale sur les deux côtés de l'ouverture; 1 5 former un collecteur sur une portion de surface de la région de collecteur enfouie jusqu'à une surface inférieure de la deuxième couche de polysilicium; éliminer la paroi latérale et la troisième couche de nitrure pour mettre à nu une surface laté- rale de la deuxième couche de polysilicium; former sélectivement une base sur une surface supérieure du collecteur comprenant une surface latérale de la deuxième couche de polysilicium; former une première couche d'oxyde de paroi latérale sur les deux côtés de la base et la deuxième couche d'oxyde de silicium pour définir une région d'émetteur; former un émetteur sur la base; et former des électrodes par-dessus. 2. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel l'étape consistant à éliminer les diverses couches sur la région active pour former l'ouverture comprend de plus le fait de former une deuxième couche d'oxyde de paroi latérale sur une surface latérale mise à nu de la première couche de polysilicium. 3. Procédé selon la Revendication 2, dans lequel l'étape consistant à former la deuxième couche d'oxyde de paroi latérale comprend le fait d'éliminer la couche d'oxyde et la première couche de polysilicium formées sur la région active, de procéder à un recuit thermique pour oxyder une partie mise à nu de la première couche de polysilicium et former une première couche d'oxyde de paroi latérale dans celle-ci, et d'eéliminer les premières couches de nitrure et d'oxyde de silicium sur la région active pour mettre à nu une portion de surface de la région de collecteur enfouie. 4. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel l'étape consistant à former le collecteur comprend simultanément le fait de procéder à une injection d'impureté en même temps qu'à une croissance cristalline sélective, permettant ainsi au collecteur d'avoir une conductivité. 5. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel l'étape consistant à former le collecteur comprend le fait de former une couche de silicium monocristaUllin sur la surface exposée de la * "-:- -région de collecteur enfouie par croissance cristalline sélective avant d'injcter une impureté -:--;-: dans la couche de silicium monocristallin. -:..-.;:-.. 6. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la base est composée d'une couche de SiGe monocristallin dopée avec une impureté ayant une concentration élevée de lx1018 cman3 ou à-::.. 5 plus. :- ' 7. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la base est composée de l'une d'une couche SiGe/Si et d'une couche Si/SiGe/Si. :-, -. ^8. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la teneur en Ge dans la base varie de ----,: facçon linéaire entre le bas et le haut de la base. 9. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la teneur en Ge dans la base est constante :":';-:'"'dans le domaine de 3 % ou moins. -:""' 10. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la teneur en Ge dans la base varie de - -.- façon linéaire entre le bas et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0 %. 11. Proc&dé selon la Revendication 1, dans lequel la teneur en Ge dans la base est constan- te entre le bas et une hauteur prédéterminée de la base dans le domaine de 30 % ou moins, et varie de façon linéaire entre la hauteur prédéterminée et le haut de la base dans le domaine de Y.---: 30 % à 0 %. 12. Procédé selon la Revendication 1, dans lequel la teneur en Ge dans la base varie de façon linéaire entre le bas et une hauteur prédéterminée de la base dans le domaine de 0 % à :.; -:20 30 %, et varie entre la hauteur prédéterminée et le haut de la base dans le domaine de 30 % à 0%. :_.-.::. O:o *té::: dem térale est composée de l'un d'un verre au borosilicate contenant du bore et d'un verre au phos- phosilicate contenant du phosphore. X=^;i--'-:: -' :--. /: