Brevet FR3086101A1 — publié le 20200320

Dispositif d'amélioration de la mobilité des porteurs dans un canal de MOSFET sur carbure de silicium La présente invention concerne un dispositif d'amélioration de la mobilité des porteurs dans un canal de MOSFET sur carbure de silicium. Le domaine de l'invention est celui des composants électroniques de puissance réalisés sur carbure de silicium (SiC) car ce matériau présente une grande vitesse de saturation des porteurs et une très bonne conductivité thermique. Parmi ces composants on dénombre les diodes, les thyristors, les transistors bipolaires, les mosfets et, plus récemment, les transistors bipolaires à grille isolée dits « IGBT » (Insulated Gate Bipolar transistor en terminologie anglaise). Il apparaît cependant que, pour les composants du type MOSFET ou IGBT, la mobilité des porteurs dans le canal est faible comparée à celle qui règne au coeur du matériau. Il s'ensuit une limitation de la capacité en courant de ces composants. Ceci est du à une forte densité d'états d'interface entre le SiC et l'oxyde de grille en Si02. Ces états d'interface sont dus à la présence de défauts tels que des clusters de carbone ou bien de défauts dans la couche d'interface sous l'oxyde qui se produisent à la fin du procédé d'oxydation. A cet égard, les chercheurs et industriels ont développé des techniques 20 pour améliorer la qualité de cette interface Si02/SiC. Il est ainsi connu de pratiquer une oxydation sous oxyde d'azote NO ou N20 et l'on pourra consulter à ce sujet : - G. Y. Chung, C. C. Tin, J. R. Williams, K. McDonald, R. K. Chanana, R. A. Welter, S. T. Pantelides, L. C. Felldman, O. X. Holland, M. K. Das and J. W. 25 Palmour - IEEE Electronic Device Letters 22, 176 (2001) ; - R. &brmer, P. Friedrichs, D. Pstephani, S. Dimitrijev and P. Jamet - Applied Physics Letters 80, 4253 (2002) ; - L. A. Lipkin, M. K. Das and J. W. Palmour - Material Science Forum 389-393, 985 (2002) ; 30 - K. Shiraishi et al. - First Principle Study of SiC/Si02 Interfaces Towards Future Power Devices - International Electron Device Meeting IEDM 2014 conference proceeding. Ces techniques apportent des progrès mais cela reste toutefois insuffisant compte tenu des performances attendues. Il est également connu de réaliser un post-traitement de recuit sous azote ou bien en préparant la surface du SiC par un pré-traitement en « PECVD » (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition en terminologie anglaise) avant l'oxydation de grille. On consultera notamment le document s CN105047539 (A) ayant pour titre « Method for improving channel mobility of SiC metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor (MOSFET). On connaît par ailleurs l'article « Phosphorous passivation of the Si02/4H-SiC interface » de Y. K. Sharma, A. C. Ahyi, T. Isaac-Smith, X. Shen, S. T. Pantelides, X. Zhu, L. C. Feldman and J. R. Williams paru dans Solid-State o Electronics - volume 68 - February 2012 - pages 103-107. Il s'agit ici de faire un recuit dans une atmosphère chargée en P2O5 pour transformer la couche de Si02 en verre phosphosilicate (« PSG » en anglais). On améliore ici aussi la mobilité des porteurs. Ici, il est nécessaire de faire un recuit avec tous les inconvénients que 15 cela entraîne et on maîtrise mal la quantité de phosphore introduite. Cela conduit à de fortes instabilités durant le fonctionnement du composant. La présente invention a ainsi pour objet d'augmenter significativement la mobilité des porteurs dans un canal de MOSFET sans présenter les limitations de l'état de l'art énoncées ci-dessus. Selon l'invention, un dispositif MOSFET agencé sur un substrat comprend une première et une seconde bande fortement dopées recouvertes d'une première et d'une seconde prise de contact, ces deux bandes étant séparées par un canal figurant lui aussi sur ledit substrat, ledit canal étant recouvert d'une couche diélectrique elle-même surmontée d'une troisième prise de contact ; le dispositif est remarquable ce que le canal intègre un film mince légèrement dopé à l'interface avec la couche diélectrique. On crée ainsi des charges fixes juste à l'interface canal/couche diélectrique afin que les porteurs soient repoussés de cette dernière et de ses défauts. Avantageusement, le substrat est en carbure de silicium. De préférence, la couche diélectrique est en dioxyde de silicium. Suivant un mode de réalisation privilégié, le film mince est réalisé par implantation ionique. Ainsi, à titre d'exemple, l'implantation ionique est pratiquée en immersion plasma. Suivant une première option, le substrat est de type P, ledit canal étant de type N. Dans ce cas, le dopant dudit film mince est de type N. Par exemple, le dopant est du phosphore. 5 Suivant une seconde option, le substrat est de type N, ledit canal étant de type P. Par exemple, le dopant de ce film mince est du bore. Par ailleurs, éventuellement, ce film mince est dopé avec un élément à effet dipôle. Par exemple, cet élément à effet dipôle est du fluor. De préférence cet élément à effet dipôle est ajouté par implantation ionique en immersion plasma. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre illustratif 15 en se référant à l'unique figure jointe qui représente un schéma en perspective d'un dispositif MOSFET. En référence à la figure, ce dispositif est réalisé sur un substrat 10 de type P dans le cas présent. Il s'agit d'un substrat massif ou bien d'une épitaxie ou bien d'une épitaxie dopée. 20 Sur la face supérieure de ce substrat 10 figure une première bande 11 (à gauche sur la figure) qui est fortement dopée N+. On a coutume d'appeler cette première bande le drain. Ce drain se voit appliquer une première prise de contact métallique13. Toujours, sur la face supérieure de ce substrat 10 figure une seconde 25 bande 14 (à droite sur la figure) qui est elle-ausi fortement dopée N+. Elle est disposée parallèlement à la première bande 14 à une certaine distance de celle-ci. On a coutume d'appeler cette seconde bande 14 la source. Cette source se voit appliquer une seconde prise de contact métallique 15. L'espace qui figure entre le drain et la source forme un canal 18. 30 Classiquement, dans la technologie MOSFET, on ajoute une couche diélectrique sur le canal entre le drain 11 et la source 14. Par contre, selon l'invention, on crée un film mince 19 faiblement dopé au niveau du canal avant d'appliquer la couche diélectrique. Avantageusement, ce film mince 19 est réalisé par implantation ionique, 35 notamment en mode immersion plasma, ce qui a l'avantage de générer moins de défauts. Le dopage est léger, il est réalisé par exemple sous une tension d'accélération inférieure à 10 kV (typiquement 2 à 5 kV) et la dose implantée est de l'ordre de 1014/cm2. Le dopant est de type N et il s'agit à titre d'exemple du phosphore. Le plasma est de préférence du PH3 ou du PFx. On peut également adopter l'arsenic à titre de dopant, auquel cas le plasma serait du type AsH3 ou 5 AsFx. Le dopage est isotrope et peut recouvrir les flancs d'une tranchée indépendamment de l'angle que celle-ci fait avec la surface. Il est également souhaitable d'introduire dans le film mince 19 des éléments à effet dipôle et on pense en premier lieu au fluor. Là encore, 10 l'introduction de ces éléments se fait par implantation ionique en immersion plasma. Sur le film mince 19 on vient maintenant déposer une couche diélectrique 20 qui vient au droit du canal 18. Cette couche est couramment nommée oxyde de grille en terminologie MOSFET. C'est habituellement de 15 l'oxyde de silicium réalisé par une oxydation thermique du substrat, par un dépôt chimique en phase vapeur « CVD » ( Chemical Vapor Deposition en anglais) ou une combinaison de ces deux techniques. Il vient que le dopant du film mince 19 est réparti de chaque côté de l'interface avec le dioxyde de silicium 20. 20 Sur l'oxyde de grille 20 on dépose une troisième prise de contact 21 qui constitue la grille du dispositif MOSFET. Une telle configuration apporte de gros avantages par rapport à l'état de l'art. En premier lieu, la mobilité des porteurs dans le canal sous la grille a été 25 multipliée par un facteur supérieur à 3. En second lieu, le courant Drain/Source (IDS) à l'état passant a été augmenté par un facteur voisin de 10. Jusqu'à présent, on a considéré que le dispositif était implanté sur un substrat de type P. 30 On peut tout à fait appliquer l'invention à un dispositif implanté sur un substrat de type N. Dans ce cas drain et source sont fortement dopés au moyen d'un élément de type P+. Similairement, le film mince est alors légèrement dopé avec un élément 35 du type P tel que le bore ou l'aluminium. Il n'est point besoin de détailler plus avant ce deuxième dispositif car l'homme du métier transpose aisément ce qui a été décrit pour le cas du substrat de type P au cas du substrat de type N. Parallèlement, les techniques de dopage sont identiques et les plasmas s éventuellement utilisés font partie de l'état de l'art qu'il s'agisse du bore ou bien de l'aluminium. On a présenté l'invention en rapport avec des dispositifs MOSFET de traitement du signal. L'invention s'applique également aux dispositifs MOSFET de puissance verticaux ou même aux transistors « Trench ». 10 Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leurs caractères concrets. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, REVENDICATIONS1) Dispositif MOSFET agencé sur un substrat (10) comprenant une première (11) et une seconde (14) bande fortement dopées recouvertes s d'une première (13) et d'une seconde (15) prise de contact, ces deux bandes étant séparées par un canal (18) figurant lui aussi sur ledit substrat (10), ledit canal étant recouvert d'une couche diélectrique (20) elle-même surmontée d'une troisième prise de contact (21), caractérisé en ce que ledit canal (18) intègre un film mince (19) 10 légèrement dopé à l'interface avec la couche diélectrique (20). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est en carbure de silicium. 15 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite couche diélectrique (20) est en dioxyde de silicium. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que ledit film mince (19) est réalisé par implantation ionique. 5) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'implantation ionique est pratiquée en immersion plasma. 25 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est de type P, ledit canal (18) étant de type N. 30 7) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dopant dudit film mince (19) est de type N. 8) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit dopant est du phosphore. 35 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit substrat (10) est de type N, ledit canal (18) étant de type P. s 10) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dopant dudit film mince (19) est du bore. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit film mince (19) est dopé avec un élément à 10 effet dipôle. 12) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit élément à effet dipôle est du fluor. 15 13) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que ledit élément à effet dipôle est ajouté par implantation ionique en immersion plasma.