1. Description des principales étapes de la filière IGBT flexible

Les deux techniques proposées pour la réalisation du composant IGBT bidirectionnel, la technique de photolithographie double face et la technique de soudure directe Si/Si, sont basées sur le procédé technologique d’IGBT de la filière flexible développée précédemment au LAAS [7]. L’enchaînement des briques de base permet essentiellement de réaliser des IGBTs classiques.

Chapitre 3 Conception des masques et réalisation technologique

88

Cependant, cet enchaînement est structuré de manière à pouvoir insérer de nouvelles étapes pour la réalisation de dispositifs complexes sans modifier le bilan thermique du procédé de base.

L'enchaînement des étapes de base, pour la réalisation d’une structure IGBT avec grille en polysilicium, est basé sur le principe d'auto-alignement et impose la réalisation de la grille du MOS en début du processus technologique avant toutes les étapes d'implantation ionique et de redistributions thermique. Les briques technologiques de base d’un IGBT classique de base s'enchaînent donc de la manière suivante :

Terminaison de jonction (caissons P^-)
Anode P⁺face arrière

Grille en polysilicium dopé N⁺
Caissons P

Caissons P⁺
Cathodes N⁺

Ouverture contacts et métallisation.

L’enchaînement des étapes technologiques de base nécessaires pour la réalisation de l’IGBT bidirectionnel par les deux techniques est représenté sur la Figure 3-4.

Terminaison de jonction

Nous avons choisi pour cette filière des terminaisons de jonction de type JTE optimisées précédemment au LAAS, pour des tenues en tension situées dans la gamme 600-1200 V. Ces terminaisons de jonction sont réalisées par implantation ionique de bore avec une faible dose.Le caisson P^-, ainsi réalisé, est ensuite redistribué sous ambiance oxydante. L’implantation de bore se fait avec une énergie de 50 keV et une dose de 2,5.10¹² cm^-2.

Etape de redistribution du P^-

Anode P⁺ face arrière

Les anodes P⁺ sont réalisées par implantation ionique de bore sur la face arrière sans auto-alignement par rapport à la grille. L’énergie d’implantation est de 100 keV, et la dose est de10¹⁶ cm^-2. La redistribution de ces régions se fait d’une part lors de la réalisation de l’oxyde de grille effectuée à 1000°C, et d’autre part lors des redistributions des caissons P et des cathodes N⁺ de la face avant à 1150°C. A la fin du processus de fabrication et après toutes les étapes thermiques, la concentration en surface obtenue est de 3.10¹⁹ cm^-3 pour une profondeur de jonction de 7,2 µm.

N2 N2 N₂ Torche O2sec O2sec 1150°C O₂sec 600°C 600°C 55’ 35’ 5’ 55’ 60’ 120’ 15’

Chapitre 3 Conception des masques et réalisation technologique

89

Figure 3-4. Enchaînement des étapes technologique pour la réalisation de l’IGBT bidirectionnel par la technique de lithographie double face et la technique de soudure directe Si/Si.

Oxyde de grille

L’oxyde de grille des sections MOS est réalisé par oxydation thermique du silicium. Le profil thermique de cette étape a été optimisé à la centrale technologique du LAAS pour obtenir une épaisseur d’oxyde de 550 Å. Les dix minutes à 600°C sous azote après l’enfournement permettent d’uniformiser la température du four ainsi que la répartition des gaz, en vue d’obtenir une épaisseur d’oxyde la plus homogène possible sur chaque face de la plaquette et également sur l’ensemble des plaquettes introduites dans le four.

Chapitre 3 Conception des masques et réalisation technologique

90

Croissance de l’oxyde de grille

Dépôt et dopage du polysilicium

Le polysilicium de grille est déposé par LPCVD à partir de la décomposition de silane (SiH4), à la température de 605°C pendant 40 minutes, pour obtenir une épaisseur d’environ 3500 Å.

Le dopage du polysilicium de type N se fait par diffusion de phosphore qui se déroule sous ambiance oxydante, la couche d’oxyde créée naturellement permet d’éviter l’exo-diffusion des atomes de phosphore. Cette couche d’oxyde a une épaisseur d’environ 500 Å.

Après tous les recuits du procédé, en fin de processus de fabrication, la diffusion du phosphore ne devrait pas traverser la couche d’oxyde de grille, selon des tests expérimentaux faits précédemment aux LAAS [9].

Dopage du polysicilium

Caisson P

Le caisson P est réalisé par implantation ionique de bore et utilise la région de polysilicium de grille comme auto-alignement. La dose implantée est de 1.10¹⁴ cm^-2 et l’énergie de 50 keV. A l’issue du bilan thermique complet, on obtient une concentration en surface de 6.10¹⁷ cm^-3 et une profondeur de jonction de 4,8 µm. Dans ces conditions, la concentration en surface maximale sous la grille est de 1.10¹⁷ cm^-3. Il est à noter que l’utilisation de la grille pour effectuer un auto-alignement conduit à l’obtention d’une région de canal présentant un dopage variable dû à la diffusion latérale des régions P.

Caisson P⁺

Le caisson P⁺est réalisé par implantation ionique de bore. L’énergie d’implantation est de 100 keV, et la dose est de 10¹⁶ cm^-2. La redistribution du P⁺ est commune avec la redistribution des caissons P. A l’issu du bilan thermique complet, la région P⁺ présente une concentration en surface de 3.10¹⁹ cm^-3 et une profondeur de jonction de 7,1 µm.

N₂ + O₂ 950°C 5’ 15’ 5’ N₂ + O₂ N2 + O2 + source N2 N₂ O2sec 1000°C O₂sec 600°C 600°C 80’ 60’ 58’ 15’ N2 10’

Chapitre 3 Conception des masques et réalisation technologique

91

Redistribution P et P⁺

Réalisation des régions N⁺

Les régions N⁺ matérialisent les cathodes des dispositifs thyristor et IGTB ainsi que les zones de source et de drain des transistors NMOS. Elles sont réalisées par implantation ionique d’arsenic et utilisent la protection de la région de grille pour assurer l’auto-alignement. Avec une dose d’implantation de 10¹⁶ cm^-2 et une énergie de 100 keV on obtient, à la fin du processus technologique, une concentration en surface de 10²⁰ cm^-3 et une profondeur de jonction de 1 µm.

Redistribution N⁺

Contacts et métallisation

Le dépôt de la couche de nitrure (Si3N4) d’isolation se fait dans un four LPCVD à une température de 750°C pendant 44 minutes. L’épaisseur obtenue est de 1000 Å. Cette couche de nitrure ainsi que l’oxyde de grille sont ensuite gravés pour ouvrir les contacts. Ces étapes sont suivies d’une métallisation d’aluminium de 1 µm par sputtering. Le même procédé est effectué sur la face arrière. En fin de processus, un recuit de l’aluminium est effectué à 450°C pendant 20 minutes.