FR2569495A1 - Procede pour la fabrication de dispositifs a semi-conducteur comportant des jonctions planaires a concentration de charge variable et a tres haute tension de rupture - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR LA FABRICATION DE DISPOSITIFS A SEMI-CONDUCTEUR A HAUTE TENSION, COMPORTANT AU MOINS UNE JONCTION PLANAIRE A CONCENTRATION DE CHARGE VARIABLE. LE PROCEDE CONSISTE A DOPER AVEC UNE IMPURETE D'UN MEME TYPE, DANS UNE REGION DE MATIERE SEMI-CONDUCTRICE MONOCRISTALLINE, UNE PREMIERE ZONE, PUIS UNE SECONDE ZONE QUI COMPREND LA PRECEDENTE ET AINSI DE SUITE, PUIS A EFFECTUER UN TRAITEMENT THERMIQUE, DE MANIERE A REALISER UNE JONCTION PLANAIRE AYANT UN PROFIL EN GRADINS ET UNE CONCENTRATION D'IMPURETE QUI DECROIT DU CENTRE A LA PERIPHERIE SUR UNE ETENDUE PREDETERMINEE. DE CETTE MANIERE, L'INTENSITE DU CHAMP ELECTRIQUE SUPERFICIEL, LORSQUE LA JONCTION EST POLARISEE EN SENS INVERSE, EST REDUITE, CE QUI FAIT QU'IL EST POSSIBLE DE REALISER DES JONCTIONS PLANAIRES AYANT DES TENSIONS DE RUPTURE TRES ELEVEES, DE L'ORDRE DE QUELQUES MILLIERS DE VOLTS.
Description
L'invention concerne des dispositifs électroniques à semi-
conducteur et, plus précisément, des dispositifs comprenant au moins une jonction planaire P-N, par exemple des diodes, des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, des circuits intégrés, capables de fonctionner sous des tensions élevées, c'est-à-dire sous des tensions de l'ordre de quelques
milliers de volts.
On sait que pour atteindre et maintenir des tensions éle-
vées dans les dispositifs à semiconducteur à jonctions planaires P-N, la technique actuelle propose divers procédés. Tous ont en commun pour but de réaliser une jonction qui s'approche le plus
possible du cas idéal d'une jonction à surfacesplanes, paral-
lèles et indéfinitivement étendues. Un procédé connu, décrit dans la publication "Solid State Electronics", 1972, vol. 15, pp. 93-105, prévoit l'utilisation d'une plaque métallique de champ (metallic field plate) qui s'étend sur une couche d'oxyde
de silicium d'épaisseur constante au-dessus du bord d'une jonc-
tion planaire. Une telle structure a pour effet, dans des conditions de polarisation inverse de la jonction, d'élargir
la région de charge spatiale sous la plaque de champ et d'aug-
menter le rayon de courbure des lignes équipotentielles, pro-
duisant ainsi une réduction du champ électrique et, par suite,
une augmentation de la tension de rupture (breakdown voltage).
Mais dans ce cas, la tension de rupture reste limitée aux alentours de 600 V, en raison des effets au bord que la plaque
de champ introduit sur la jonction.
ha même publication décrit aussi une structure de jonction planaire, la "plaque métallique de champ" étant placée sur une couche d'oxyde de silicium d'épaisseur variable, ce qui permet de dépasser les limites de tension indiquées ci-dessus en modifiant les conditions sur le contour et en élevant ainsi la tension de rupture jusqu'à une valeur d'environ 1000 V.
Un autre procédé connu prévoit de modifier la partie ter-
minale de la jonction. Cette technique, dénommée par certains "junction termination extension (JTE)" et par d'autres "Implanted field plate", est décrite par exemple dans la publication "IEEE Transactions on Electron Devices" 1983, vol. ED-30, pp.
954-957. En particulier, sur les fig. 10 et 11 de cette publi-
cation, il est représenté une jonction P-N terminée par deux zones implantées. Une telle structure permet d'atteindre une tension de rupture de 1400 V, en utilisant un substrat dopé N
avec 1,15. 1014 atomes/cm3, dans lequel est diffusée une impu-
reté de type P avec une concentration de 1017 atomes/cm3 et
dans lequel sont implantées deux zones JTE ayant des concentra-
tions en surface de 3. 1015 et 1. 1015 atomes/cm3 respecti-
vement.
Aujourd'hui, on demande des dispositifs électroniques à semiconducteur comportant des jonctions P-N qui soient capables de supporter des tensions de l'ordre de quelques milliers de volts, ces dispositifs étant stables, fiables et de coût
limité. Ils sont demandés par exemple dans le domaine des dis-
positifs d'alimentation à haute tension, des radars, des appa-
reils électro-médicaux à rayons X et, d'une manière générale,
dans le domaine des applications à tensions élevées.
Le but de la présente invention est de répondre à de telles nécessités, en dépassant et en éliminant les limitations
et les inconvénients de la technique connue. Ces buts et d'au-
tres sont atteints par l'application du procédé suivant l'in-
vention. En bref, ce procédé prévoit le traitement d'un subs-
trat de matière semiconductrice monocristalline à basse con-
centration d'impuretés et de conductibilité électrique pré-
établie, par les opérations suivantes: on dope, avec une impureté dont la conductibilité est de type opposé à celle du substrat, une première zone du substrat avec une quantité pré-établie d'impureté; on dope ensuite cette première zone et une seconde zone, qui comprend la précédente, avec une deuxième quantité pré-établie d'impureté; puis, si nécessaire, on dope la première, la seconde et une troisième zones, qui
comprend les précédentes, avec une troisième quantité pré-
établie d'impureté; et ainsi de suite, jusqu'à effectuer le nombre de dopages voulu sur des zones dont l'aire est de plus en plus grande, mais avec des concentrations d'impureté décroissantes. Ces dopages sont suivis d'un traitement thermique qui produit la diffusion des impuretés dans le substrat jusqu'à la profondeur voulue et permet d'obtenir une jonction PN dont
le profil en gradins a des concentrations d'impuretés décrois-
santes du centre à la périphérie sur une étendue prédéterminée, par le fait que zone par zone, les concentrations du dopant s'additionnent.
Une forme de réalisation de l'invention est décrite ci-
après, à titre d'exemple non limitatifs en référence aux
dessins annexés.
La fig. 1 est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette de silicium comprenant un transistor NPN de puissance, dont la jonction collecteur-base à très haute
tension est réalisée suivant l'invention.
Ta fig. 2 est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette de silicium comprenant un dispositif
monolithique constitué par un transistor bipolaire de puissan-
ce et par un circuit intégré, tous deux intégrés sur la même plaquette. On se référera à la fig. 1 pour décrire le dispositif comportant la jonction P-:; à très-haute tension, dont la
réalisation s'effectue d'après les phases suivantes du pro-
cédé, appliquées, pour simplifier l'exposé, à une plaquette
(chip) de la tranche (wafer) de silicium monocristallin.
1ère phase.- On utilise un substrat 1 de silicium monocristal-
lin de type N à faible dopage, c'est-à-dire ayant une valeur de résistivité supérieure à 500 ohms-cm, d'épaisseur égale à 425/um.
On procède à l'oxydation des surfaces du substrat.
2ème phase.- Sur l'une des faces du substrat de la plaquette - face qui sera appelée "front" de la plaquette dans la suite
de la description - la couche d'oxyde 10 est enlevée par
photomasquage et attaque, dans une zone limitée à la surface surmontant la région 3. Sur cette surface dégagée d'oxyde et large de 3000/um, on procède à l'implantation ionique d'un dopant de type P, c'est-à-dire de conductivité de type opposé à celui qui existe dans la région 1. ne dopant est constitué de bore qui est implanté à la dose de 5 x 1014 atomes/cm2 avec une énergie d'implantation de 100 keV. A titre de variante, étant donné le fort dopage de cette région, le bone peut être, non pas implanté, mais déposé au
moyen d'une source de nitrure de bore BN (A) de type A à 950 C.
3ème phase.- Sur le front de la plaquette, la couche d'oxyde 10
est enlevée, par photomasquage et attaque, dans une zone limi-
tée à la surface surmontant la région 4. Du fait que la surface
surmontant la région 3 était déjà dégagée d'oxyde, il en résul-
te que la surface entière de la zone continue 3 - 4, o la zone 4 est large de 180/um, est dégagée d'oxyde. Sur la surface entière de cette zone 3 - 4, on effectue l'implantation ionique du même dopant de type P déjà utilisé pour le dopage de la région 3, c'est-à-dire le boreà la dose de 1,5 x 1012 atomes/
cm2 avec une énergie d'implantation de 180 keV.
4ème phase.- On répète les opérations déjà décrites pour déga-
ger de l'oxyde et implanter, sur la surface entière de la zone continue 3 - 4 - 5, o la zone 5 est large de 180/um, le même dopant de type P déjà utilisé, c'est-à-dire le bore, à la dose de 1,5 x 1012 atomes/cm2 avec une énergie d'implantation de keV.
Sème phase.- On répète les opérations déjà décrites pour déga-
ger de l'oxyde et implanter, sur la surface entière de la zone continue 3 - 4 - 5 - 6, oà la zone 6 est large de 180/um, le même dopant de type P déjà utilisé, c'est-à-dire le bore, à la dose de 2,5 x 1012 atomes/cm2 avec une énergie d'implantation
de 180 keV.
6ème phase.- On répète enfin les opérations déjà décrites pour dégager de l'oxyde et implanter, sur la surface entière de la zone continue 3 - 4 - 5 - 6 - 7, o la zone 7 est large de /um, le même dopant de type P déjà utilisé, c'est-à-dire le
bore, à la dose de 0,2 x 1012 atomes/cm2 avec une énergie d'im-
plantation de 180 keV.
En conclusion, il reste confinées dans les zones 3, 4, 5, 6, 7, qui donneront lieu ensemble à la région de base du transistor, les doses de bore implantées correspondant, dans
chaque zone, à la somme des implantations successives, réca-
pitulées dans le tableau suivant.
Zone largeur Dose d'implantation Dose cumulée d'im-
(/um) (atomes/cm2) plantation (atomes/cm2) 3 3000 5,0 x 1014 505,7 x 1012 4 180 1,5 x 1i12 5,7 x 1012 180 1,5 x 1012 4,2 x 1012 1C 6 180 2,5 x 1012 2,7 x 1012 7 90 0,2 x 1012 0,2 x 1012 7ème hase.- les implantations précitées étant terminées, il est procédé à la diffusion du dopant de type P (bore) à 1200 C pendant une durée de 8 h, pour obtenir une unique région de base ayant, à la fin de l'opération de production, le développement indiqué par 8 sur la fig. 1. I1 y a lieu de préciser que la profondeur de ce profil 8 à l'intérieur de la région 1 au-dessous de la surface 9 de la couche d'oxyde est sans importance aux fins de l'invention, alors que la 2C distribution de la quantité de dopant à l'intérieur des régions de base 3, 4, 5, 6, 7 du transistor est déterminante. Cette précision est nécessaire, eu égard au fait que les opérations suivantes à haute température ont tendance à rendre plus profond le profil 8 de la région de base à l'intérieur de la région 1
de collecteur de la plaquette.
8ème phase.- Les phases suivantes n'entrent que marginalement dans le cadre de l'invention, mais elles seront indiquées pour
que la description soit complète.
On procède à la formation de la région 2 de faible résis-
tivité en diffusant, dans la surface entière du " verso e, de la plaquette, après enlèvement de l'oxyde qui la recouvre, le même dopant de type N, par exemple du phosphore, déjà présent dans tout le substrat 1 de silicium. Ainsi reste définie la région de collecteur du transistor, avec les caractéristiques
électriques voulues.
9ème phase.- On procède à la formation simultanée de la région d'émetteur 13 du transistor et de la région 12 dénommée "channel stopper" (bloqueur de canal), dont la fonction est connue de l'homme de l'art, par la diffusion d'un dopant N, par exemple de phosphore, à partir du "front" de la plaquette, à l'intérieur des régions 3 et 1 respectivement, sur-la profondeur voulue. 10ème phase.- On termine par la formation des métallisations
14, 15, 16, indiquées par des hachures sur la fig. 1, respecti-
vement nécessaires pour les contacts des électrodes d'émetteur
E, de base B et de collecteur C du transistor.
Etant donné qu'il n'a été décrit et représenté qu'une seule forme d'exécution de la présente invention, il est évident
qu'il peut y être apporté de nombreuses variantes et modifica-
tions, sans que l'on s'écarte pour autant du cadre de l'inven-
tion. Par exemple, pour se référer toujours à la fig. 1, la région de base 3, 4, 5, 6, 7 de type P, qui constitue, avec la
région de collecteur 1 de type N opposé au précédent, la jonc-
tion planaire P-N 8 à très haute tension, peut être formée d'un nombre variable de zones implantées additionnelles, avec un minimum d'une au moins (dans ce dernier cas, la jonction 8 représentée sur la fig. 1 est modifiée pour se terminer suivant
le trait courbe 4' sous la surface 9 recouverte d'oxyde 10).
Un tel nombre de zones implantées additionnelles > 1 dans la région de base du transistor dépend avant tout de la tension maximale que la jonction P-N doit supporter sans rupture: plus le nombre de zones implantées additionnelles est élevé, plus s'élève la tension que la jonction peut supporter. Par exemple,
la jonction représentée sur la fig. 1 avec quatre zones implan-
tées additionnelles supporte plus de 3700 V. Il est évident par ailleurs que le procédé décrit pour
la fabrication d'un transistor NPE s'applique, avec les modi-
fications nécessaires, connues de l'homme de l'art, à la fabri-
cation d'un transistor PNP, dans lequel la jonction à très haute tension de rupture est obtenue à partir d'un substrat de type P dans lequel, d'après l'invention, on implante et on diffuse des impuretés de type N.
Il est enfin évident que les formes géométriques hori-
zontales de la jonction P-N peuvent avoir n'importe quelle
forme, comme tel est le cas des structures interdigitées cons-
tituant les régions de base et d'émetteur d'un transistor.
L'invention ne s'applique pas seulement aux dispositifs simples ou discrets, tels que diodes, transistors bipolaires, transistors MOS, mais à tout dispositif à semiconducteur dans lequel il est nécessaire de réaliser au moins une jonction P-N à très haute tension. Par exemple, la fig. 2 est une vue en coupe, non à l'échelle, d'une partie d'une plaquette de silicium comprenant un dispositif monolithique constitué, sur la même plaquette, par un transistor bipolaire de puissance représenté dans la partie à gauche de la figure et par un circuit intégré dont un seul transistor est représenté dans la partie droite de
la figure, ces deux dispositifs étant interconnectés électri-
quement par des pistes métallisées appliquées sur la couche
d'oxyde 27. On voit deux jonctions P-N réalisées suivant l'in-
vention: la première 25 qui représente la jonction collecteur-
base du transistor de puissance et la seconde 22 qui représente la jonction de la poche d'isolation (isolation region) 23 qui
entoure le circuit intégré.
Dans la structure du dispositif représenté sur la fig. 2, la jonction 22 à haute tension est destinée à rendre ladite poche d'isolement 23 capable de supporter la même tension appliquée sur la jonction collecteur-base à haute tension 25 du transistor de puissance. On notera que cette jonction 22 est présente seulement du c8té de la région 21 à haute tension, constituant la région de collecteur du transistor de puissance du dispositif monolithique, et non du côté de la région 24 à basse tension, constituant la région de collecteur du circuit intégré. Après avoir diffusé et, par conséquent, obtenu la couche horizontale 23 d!isolement, avoir réalisé les couches enterrées (buried layers) dans le circuit intégré et avoir procédé à une croissance épitaxiale de silicium monocristallin
dopé N sur la surface entière du substrat 21, on effectue l'im-
plantation ionique, puis la diffusion des dopants de type P, de manière à former simultanément les deux jonctions P-N 22 et à très haute tension, suivant les phases déjà décrites du procédé de l'invention. INais à la différence du transistor de la fig. 1, dans lequel la jonction 8 est réalisée avec quatre zones additionnelles, dans le dispositif de la fig. 2 les jonctions 22 et 25 présentent l'une et l'autre deux zones additionnelles capables de supporter une tension de 1000 V au moins.
Pour conclure, l'invention s'applique également aux dispo-
sitifs bipolaires et unipolaires de type latéral, c'est-à-dire à ceux dans lesquels le flux des porteurs de charge électrique s'effectue en direction horizontale. Par exemple, un transistor MOS latéral à haute tension sera réalisé de- telle manière que sa région de drain présente une concentration d'impureté décroissante du centre à la périphérie, suivant un profil en
gradins.
Claims (14)
1. Procédé pour la fabrication d'un dispositif à semiconduc-
teur comprenant un substrat de matière semiconductrice mono-
cristalline ayant une surface partiellement recouverte d'une couche de matière isolante (10), une première région (1) d'un
premier type de conductivité formée dans le substrat et confi-
nant, au moins en partie, à ladite surface et une seconde région
(3) d'un second type de conductivité opposé au premier, immer-
gée dans la première région (1) de manière à former avec celle-
ci une jonction planaire, caractérisé par le fait que ladite seconde région est formée par des opérations successives de
dopage, au moyen d'impuretés du même type en quantités pré-
établies, de zones de la première région (1) comprenant chaque fois les zones dopées par l'opération précédente, et par un traitement à haute température pour la diffusion simultanée desdites impuretés dans le substrat, les paramètres du mode opératoire étant choisis de telle manière que la concentration
d'impuretés dans la seconde région (3, 4, 5, 6, 7) soit décrois-
sante du centre vers la périphérie suivant un profil en gradins.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre des opérations successives de dopage, la quantité d'impuretés et l'étendue horizontale de chaque zone de ladite seconde région constituant avec la première région ladite jonction planaire, sont optimisés de manière à rendre minimes les intensités mioyennes du champ électrique superficiel pour
une tension de rupture prédéfinie de la jonction.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que parmi les deux régions contiguës ayant des conductivités
de types opposés et constituant la jonction planaire, la pre-
mière région (1) est formée avec une concentration d'impuretés
inférieure à la concentration minimale de la seconde région (3).
Z2569495
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que les opérations successives de dopage pour
la formation de la seconde région (3, 4, 5, 6, 7) sont effec-
tuées par implantation ionique.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première région (1) du dispositif est constituée de silicium
monocristallin et en ce que l'impureté implantée pour la for-
mation de la seconde région comprend des atomes de bore et chaque zone implantée de la seconde région a une largeur d'au
moins 10/um.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région
avec trois zones implantées adjacentes, la première zone cen-
trale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1. 1015, la seconde zone ou zone intermédiaire une
dose comprise entre 2.1012 et 2.1013 et la troisième zone péri-
phérique une dose comprise entre 1.1012 et 1.1013 atomes/cm2.
7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région
avec quatre zones implantées adjacentes, la première zone cen-
trale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1. 1015 la seconde une dose comprise entre 3.1012 et 3.1013, la troisième une dose comprise entre 2.1012 et 2.1013, et la quatrième zone périphérique une dose comprise entre
1.1012 et 1.1013 atomes/cm2.
8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région
avec cinq zones implantées adjacentes, la première zone cen-
trale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1. 1015, la seconde une dose comprise entre 4.1012 et 4.1013 la troisième une dose comprise entre 3.1012 et 3.1013 la quatrième une dose comprise entre 2.1012 et 2.1013 et la cinquième zone périphérique une dose comprise entre 1.1012 et
1.1013 atomes/cm2.
9. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région avec six zones implantées adjacentes, la première zone centrale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1.1015, la seconde une dose comprise entre 5.1012 et 5.1013 la troisième une dose comprise entre 4. 1012 et 4.1013, la
quatrième une dose comprise entre 3.1012 et 3.1013, la cinquiè-
me une dose comprise entre 2.1012 et 2.1013 et la sixième zone périphérique une dose comprise entre 1.1012 et 1.1013 atomes/cm2. 10. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région avec sept zones implantées adjacentes, la première zone centrale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et
1213
1.1015, la seconde une dose comprise entre 6.1012 et 6.1013, la troisième une dose comprise entre 5.1012 et 5.1013, la
quatrième une dose comprise entre 4.101-2 et 4.1013, la cinquiè-
me une dose comprise entre 3.1012 et 3.1013, la sixième une dose comprise entre 2.1012 et 2.1013 et la septième zone périphérique
une dose comprise entre 1.10o12 et 1.10o13 atomes/cm2.
11. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas o l'on procède à la formation de la seconde région avec huit zones implantées adjacentes, la première zone centrale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1.1015, la seconde une dose comprise entre 7.1012 et 7.1013, la troisième une dose comprise entre 6. 1012 et 6.1013, la quatrième une dose comprise entre 5.1012 et 5.1013 la cinquième une dose comprise entre 4.1012 et 4.1013, la sixième une dose comprise entre 3.1012 et 3.1013, la septième une dose comprise entre 2. 1012 et 2.1013 et la huitième une dose comprise entre 1.1012
et 1.1013 atomes/cm2.
12. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, dans le cas ou l'on procède à la formation de la seconde région
avec neuf zones implantées adjacentes, la première région cen-
trale reçoit une dose cumulée d'implantation comprise entre 1.1014 et 1. 1015, la seconde une dose comprise entre 8.1012 et 8.1013, la troisième une dose comprise entre 7.1012 et 7.1013,
la quatrième une dose comprise entre 6.1012 et 6.1013, la cin-
quième une dose comprise entre 5.1012 et 5.1013, la sixième une
dose comprise entre 4.1012 et 4.1013, la septième une dose com-
prise entre 3.1012 et 3.1013, la huitième une dose comprise entre 2.1012 et 2.1013 et la neuvième zone périphérique une dose comprise entre 1.1012 et 1.1013 atomes/cm2
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