Brevet FR2235482A1 — publié le 19750124

Laprésente invention concerne des procédés pour éliminer les états d'interface dont la présence dans un dispositif semiconducteur terminé peut avoir des effets néfastes sur ses caractéristiques de fonctionnement. Plus precisemment, la présente invention concerne un procédé pour éliminer les états d'interface dans les dispositifs à effet de champ du type MIOS tmétal-isolant-oxyde-semiconducteur) dans lesquels l'isolant est un oxyde d'aluminium ou un nitrure d'aluminium qui est imperméable à l'introduction de tout matériau susceptible d'éliminer les états d'interface car cela nécessiterait des températures suffisamment élevées ne pourraient pas être mise en oeuvre lors des étapes finales de la fabrication de ces dispositifs, sans perturber les caractéristiques désirées préalablement obtenues. La présente invention introduit des iobs tels que des ions hydrogène dans une implantation ionique pour remplacer l'hydrogène qui a été rétrodiffusé durant les hautes températures utilisées pendant le traitement général de fabrication des semiconducteurs.Après l'implantation, la tranche de semiconducteur, c'est-à-dire le substrat de silicium est chauffé recuit) à une température et pendant un temps suffisants pour éliminer sensiblement les états d'interface qui étaient présents et dus à la rétrodiffusion de l'hydroEène. Le procédé de la présente invention a pour résultat que le courant de drainage qui circule dans les dispositifs à effet de champ formés dans le substrat semiconducteur apres l'implantation et le chauffage en est beaucoup plus fort que celui qui circulerait avant l'implantation alors que les états d'interface étaient présents. La présence des états d'interface et leur effet nuisible sur le fonctionnement des transistors à effet de champ posent un problème dans la fabrication de transistors à effet de champ. Diverses techniques ont été suggérées pour éliminer ou réduire les états d'interface ou de surface. Par exemple, le brevet des E.U.A. 3.386.163 montre un procédé qui comprend la diffusion de l'oxyde d'aluminium dans une couche de bioxyde de silicium et, ensuite, le chauffage avec application d'un champ électrique à une porte métallique afin de commander les effets de charge d'espace le long du canal de conduction. Dans ce brevet, l'oxyde d'aluminium est complètement diffusé dans la couche d'oxyde de silicium et il n'existe pas de barrière à l'introduction de l'hydrogène. Dans un autre exemple, le brevet des E.U.A. 3.590.477 montre un procédé de fabrication de transistors à effet de champ à porte isolée où les caractéristiques de fonctionnement sont controlées en chauffant à l'air un transistor à effet de champ dont la métallisation de la porte a déjà été formée à une température de 300 à 500aC. Ce chauffage (ou recuit) à l'air a pour but de contrôler ou même d'éliminer les états surfaciques. Dans ce procédé, des températures suffisamment élevées sont atteintes pour provoquer la rétrodiffusion des matériaux qui ont provoqué l'existence des états surfaciques.Le traitement de chauffage à des températures relativement basses est possible dans ce cas car il n'ywa a pas de matériau, tel que-le nitrure silicium ou l'oxyde d'aluminium, présent pour empêcher le passage des ions, tels que les ions hydrogènes, dans la couche de bioxyde de silicium. Dans la-présente description, cette étape de chauffage à l'air à basses températures serait inefficace, par suite de la présence de couches isolantes de nitrure de silicium ou d'oxyde d'aluminium qui sont imperméables à la diffusion des gaz à travers elles aux températures relativement faibles qui doivent être utilisées afin d'empêcher des -modifications des caractéristiques désirées et créées préalablement. La présente invention concerne de façon générale un procédé d'implantation ionique requise dans la région d'interface séparant la surface d'un substrat semiconducteur d'un revetement d'oxyde en présence d'une couche isolante qui est normalement perméable à la diffusion de gaz uniquement à des températures relativement élevées. Le procédé de la présente invention, de façon très générale, comprend les étapes de formation d'une couche d'oxyde sur une surface d'un substrat au silicium et d'élimination des états d'interface à l'interface séparant la couche d'oxyde du substrat de silicium. Apres la formation de la couche d'oxyde, une couche de matériau isolant qui est perméable à la diffusion des gaz à travers elle seulement à des températures élevées, est formée sur la surface de la couche d'oxyde. Le substrat revêtu des couches d'isolement et d'oxyde est ensuite soumis à l'étape d'implantation d'ions choisis parmi ceux capables de pénétrer dans le réseau du substrat de silicium à la région d'interface. Dans une étampe finale, le chauffage ou recuit se fait pendant un temps et à une température suffisants pour éliminer les états d'interface. Conformément à des aspects plus particuliers de la présente invention, le traitement de fabrication comprend l'étape de formation d'une couche de métal, par exemple, de l'aluminium, sur au moins une partie de la couche d'isolement avant l'étape d'implantation ionique. Conformément à un aspect plus spécifique de la présente invention, l'étape de formation d'oxyde comprend l'étape d'oxydation thermique du substrat de silicium pour former une couche de bioxyde de silicium. En outre, l'étape de formation d'une couche de matériau isolant comprend le dépot, en phase vapeur, d'un des matériaux suivants, le nitrure de silicium ou l'oxyde d'aluminium. Conformément à un aspect encore plus spécifique de la présente invention. l'étape d'implantation comprend l'implantation de ions hydrogene en quantité suffisante pour créer une densité ionique à l'interface de l'ordre de 1-10 13 2 x 10 ions par cm Suivant un aspect plus spécifique de la présente invention, l'étape de chauffage (ou recuit) dans-une atmosphère inerte comprend le chauffage dans de l'azote pendant une demi-heure-une heure à des températures de l'ordre de 4500 - 6000C.En utilisant les étapes du procédé mentionné ci-dessus, des dispositifs distincts ou des circuits intégrés'qui incorporent des couches isolantes normalement imperméables à la diffusion du matériau à des températures relativement basses, peuvent être fabriqués sans soumettre un dispositif presque totalement réalisé à des étapes de températures élevées qui pourraient normalement être requises pour provoquer la diffusion de l'hydrogène dans la couche isolante et, partant, affecter la structure ainsi que les caracté- ristiques électriques du dispositif ou du circuit intégré obtenu finalement. En consequence, un objet de la présente invention consiste à fournir un procédé pour éliminer totalement les états de surface à une région d'interface séparant une couche d'oxyde d'un substrat de silicium sous-jacent sans soumettre un dispisitif, ou un circuit intégré, presque complètement fabriqué à une étape de traitement à températures élevées, ce qui n'est pas souhaitable. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé pour éliminer les états d'interface où de surface en utilisant un procédé à basses températures. Un autre objet de la présente invention consiste à fournir un procédé pour éliminer les états de surface qui affectent seulement la caractéristique d'état de surface du dispositif ou du circuit intégré. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif MIOS presque arrivé à l'étape finale de son procédé de fabrication. Les états de piégeage à la surface de SiD2- Si sont schématiquement représentés et proviennent de la rétrodiffusion de l'hydrogène durant les étapes de traitement à températures élevées dans le procédé de fabrication. La figure 16 représente l'agencement de la figure 1A et, en outre, montre schématiquement un ion hydrogène traversant une couche d'isolement qui est normalement imperméable à la diffusion de l'hydrogène à des températures faibles, et également, une couche de bioxyde de silicium. Les ions hydrogène sont représentés comme etant proches des états d'interface ou de piégeage représentés schématiquement. La figure 1C représente un agencement semblable à celui de la figure 16 après une étape de chauffage qui permet aux ions hydrogène de pénétrer dans le réseau de silicium et de satisfaire les liaisons instables, ce qui élimine alors les états d'interface ou de piégeage. Lafigure 2A représente un graphique du courant de drain en fonction de la tension de drain Vg pour différentes valeurs de la tension de porte V avant l'implantation de l'hydrogène à l'interface séparant g la couche de silicium de la couche de bioxyde de silicium. La figure 2B représente un graphique semblable à celui de -la figure 2A après les étapes d'implantation et de chauffage de la présente invention. D'après cegraphique, il est clair que l'effet des états d'interface a été éliminé. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif MIOS presque à l'étape finale de son procédé de fabrication. Le dispositifFforme seulement une portion de ce qui pourrait être un réseau, ou groupe, de dispositifs ayant des fonctions de mémoire ou de logique comme cela est bien connu dans les circuits intégres. Seul un dispositif a été réprésenté étant donné qu'il est suffisant pour mettre en évidence le procédé conforme à la présente invention Sur la figure 1, un dispositif MIOS est formé à partir d'un substrat 1 fait dans un matériau semiconducteur tel que du silicium. Une couche 2 de bioxyde de silicium, ou tout autre oxyde qui est normalement perméable à la diffusion des gaz, est formée sur une surface du substrat 1.Dans le cas choisi ou la couche 2 est du bioxyde de silicium. la couche 2-est normalement formée par un procédé d'oxydation thermique à des terpératures de l'ordre de -850-11000C. Ce procédé est bien connu de l'homme de l'art. L'interface séparant la couche 2 du substrat de silicium 1 est représentée en 3. Dans les dispositifs MIOS usuels, la couche 2 a une épaisseur de l'ordre de 25-50 A. Après la formation de l'oxyde thermique de la couche 2, une couche isolante 4 de nitrure de silicium (Si3N4) ou d'oxyde d'aluminium tAlz03Jest déposée sur la surface de la couche 2 par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) utilisant les techniques de dépôt bien connues de l'homme de l'art dans le domaine de la fabrication des semiconducteurs. De façon type, la couche 4, lorsqu'elle est faite de nitrure de silicium, est déposée à partir d'un gaz à la pression atmosphérique qui comprend t de l'hydrogène avec 30% en volume d'ammoniac et 1% en volume de silane (SiH4), chauffé en présence du substrat 1 à une température de 9500C. Le refroidissement à la température ambiante se fait ensuite dans une atmosphère d'hydrogène ou toute autre atmosphère de gaz inerte. A ce stade, c'est cet hydrogène qui s'échappe par diffusion dans la couche 2 et dans la couche 4, créant les états d'interface ou de piégeage représentés schématiquement par lee ronds 5 sur la figure 1A à l'interface des couches de silicium-bioxyde de silicium 3.Bien que le présent exemple ne soit pas le seul cas d'un procédé type durant lequel l'hydrogènepeut être rétrodiffusé, il va mettre en évidence les conditions d'un procédé qui va permettre la diffusion de l'hydrogène à partir de l'interface 3. Il est en effet évident que lorsque les températures sont suffisamment élevées 18000-10000C), l'hydrogène peut se diffuser ainsi dans la couche 2 ainsi que dans la couche 4. Une autre condition qui peut provoquer la formation des états de piégeage ou d'interface cas 5 concerne le/de recroissance de l'oxyde lorsqu'on souhaite former des régions d'oxyde épaisses sur certaines régions d'une pastille ou d'un substrat, et que l'on utilise des températures de l'ordre 10000C pour la formation d'une couche d'oxyde épaisse. Le cas n'est pas différent lorsque la couche 4 est formée à partir d'oxyde d'aluminium qui, comme le nitrure de silicium, est normalement perméable à la diffusion des gaz uniquement à des températures relativement élevées. La couche 4 d'oxyde d'aluminium est de façon type formée par la décomposition du trichlorure d'aluminium (AlCl3) combiné au bioxyde de carbone cl02) et à de l'hydrogène tH23 dans un porteur d'azote à une température de 700-1000 C. La couche 4 peut avoir jusqu'à 500 A d'épaisseur. La figure 1A représente des régions de source 6 et de drain 7 qui sont formées en diffusant des dopants semiconducteurs appropriés bien connus de l'homme de l'art, dans le substrat 1 par des ouvertures non représentées) faites dans les couches 2 et 4 qui masquaient totalement le substrat 1. Les contacts (non représentés) à la source 6 et au drain 7 sont formés par des techniques de masquage et d'attaque photolithographiques bien connues et simultanément à la formation de la porte 8 (représentée en traits mixtés sur la figure lA). Ces détails qui sont bien connus de l'homme de l'art, n'ont pas été représentés étant donné que la structure de la figure lA est suffisante montrer pour/l'application du procédé de la présente invention dans la fabrication de dispositifs semiconducteurs. Ainsi, la figure 1A représente schématiquement un dispositif MIOS à l'étape-presque finale de sa fabrication, les états de piégeage ou d'interface 5 étant placés à l'interface 3 par suite de la rétrodiffusion de l'hydrogène qui se rétrodiffuse durant une étape de fabrication à température élevée. A ce stade, il est à remarquer que le dispositif presque réalisé de la figure 1A ne peut pas être désormais soumis à des températures de l'ordre de 9000C qui permettraient alors à l'hydrogène de se diffuser dans les couches 2 et 4 pour satisfaire les liaisons de silicium instables qui apparaissent sous forme d'état de piégeage d'interface 5 à l'interface 3. Ces températures élevées affecteraient les diffusions 6, 7 et feraient fondre la porte 8, ou allier toute autre métaliisation avec le substrat de silicium 1. Ce procédé de chauffage classique qui élimine normalement les états d'interface par chauffage dans de l'hydrogène à des températures de l'ordre de 400-5000C, est inefficace pour éliminer les états d'interface 5 puisque l'hydrogène, à ces températures, ne peut pas se diffuser dans la couche 4 ou pénétrer dans cette dernière. C'est à ce stade que l'hydrogène est implanté en utilisant des ions H2+ dans un système type d'accélération et de sélection ioniques. et cet hydrogène est implanté à une énergie suffisante pour qu'il y ait une concentration maximale d'hydrogène au voisinage de l'interface 3. De façon type, des ions H2+ à 10kv peuvent être utilisés pour une couche d'isolant de 600A d'épaisseur. Suivant l'épaisseur des couches 3 et 4, différents potentiels d'accélération sont appliqués au système d'implantation ionique et, comme le montre schématiquement la figure 10, les ions d'hydrogène (H2+) traversent les couches 2 et 4 (et la porte 8, si besoin est) pour pénétrer dans le réseau du substrat de silicium 1 et satisfaire les liaisons instables dans le silicium provoquées par la rétrodiffusion de l'hydrogène à une température élevée.Le 13 de ions hydrogène peut être de l'ordre de 2-5 x 1013 ion par 2 nombre de ions hydrogène peut être de l'ordre de 2-5 x 1013 ions par cm2. Les ions hydrogènes sont introduits dans le substrat 1 sur une profondeur qui est suffisante pour englober l'interface 3, mais, en ce faisant, des états d'interface supplémentaires sont introduits et le substrat de silicium 1 est endommagé au contact des ions hydrogène. Cet endommagement final et la formation d'états d'interface supplémentaires aux états d'interface déjà présents, sont éliminés en chauffant l'agencement implanté de la figure 16 dans de l'azote ou dans tout autre gaz inerte à une température de l'ordre de 450-6000C pendant un temps compris entre une demi-heure-une heure. Cette étape produit l'agencement représenté sur la figure 10 où, après le chauffage, l'hydrogène préalablement ionisé pénetre dans le réseau du substrat de silicium 1 à l'interface 3, satisfaisant les liaisons de silicium instables et neutralisant le silicium ainsi que l'hydrogène. L'effet de l'implantation ionique et du chauffage peut être observé en se reportant aux figures 2A et 26 qui représentent les graphiques du courant de drain tID) en fonction de la tension de drain (V ) aux divers potentiels 0 D de porte (Vg) avant et après les étapes d'implantation et de chauffage de g la présente invention. Le dispositif utilisé pour obtenir le graphiquede la figure 2B est semblable à tous égards à celui utilisé pour obtenir le graphique de la figure 2A si ce n'est que les étapes de chauffage et d'implantation ionique ont été ajoutées. Une comparaison des graphiques des figures 2A et 26 montre clairement que le seuil du dispositif implanté et chauffé a été abaissé jusqu'à ce qu'un courant de drain important ait été obtenu à une tension de porte de 2volts tandis qu'un courant de drain important a été obtenu seulement après qu'une tension de porte de 6 volts a été appliquée au dispositif qui n'a pas subi les étapes d'implantation de chauffage. La yame configuration est évidente lorsque sont faites d'autres comparaisons. Par exemple, il est à noter qu'à une tension de porte de 8 volts (figure 26) le courant de drain qui circule dans le dispositif implanté et chauffé est quatre fois supérieur au courant de drain du dispositif qui n'a pas été implanté et chauffé. D'après ce qui précède, il est clair qu'une implantation ionique d'hydrogène et un chauffage à basses températures éliminent sensiblement les états d'interface et de piégeage qui apparaissaient à la suite de la rétrodiffusion de l'hydrogène durant une étape de traitement à températures élevées lors de la fabrication de circuits intégrés ou de dispositifs qui contiennent des couches normalement imperméables à toute diffusion de gaz-à de basses températures. Bien que l'ion hydrogène ait été choisi comme matériau implanté, il est bien compris que d'autres types d'ions peuvent également être utilisés pourvu qu'ils soient capables de pénétrer dans le réseau du substrat de silicium. Finalement, bien qu'aucun type de conductivité spécifique n'ait été indiqué pour le substrat de silicium 1, il est évident que cette description s'applique au substrat de type de conductivité n ou p. Il reste bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre et de l'esprit de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour éliminer les états d'interface dans les -structures de semiconducteurs du genre comprenant les étapes: d'élaboration d'un substrat semiconducteur de silicium, de formation d'une couche d'oxyde sur la surface dudit substrat, cette étape étant à l'origine de la génération d'états d'interface à l'interface entre ladite couche d'oxyde et ledit substrat, de formation d'une couche d'un matériau isolant qui est perméable à la diffusion de gaz uniquement à des températures élévées, sur la surface de ladite couche d'oxyde, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes d'implantation ionique d'un matériau dans ladite région d'interface, le matériau choisi étant capable de pénêtrer dans la structure dudit substrat de silicium et enfin de chauffage dudit substrat dans une atmosphère inerte pendant-un temps et à une température suffisante pour éliminer pratiquement tous les états d'interface. 2.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 -dans lequel ladite étape de formation d'oxyde comporte la formation d'un oxyde thermique à partir dudit substrat de silicium pour former ladite couche d'oxyde. 3.- Procédé de fabrication selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'étape de formation d'une couche de matériau isolant comporte l'étape de dépôt à partir d'une phase vapeur d'un composé choisi dans le groupe nitrure de silicium et oxyde d'aluminium. 4.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications ci-dessus dans lequel ledit matériau pour l'implantation ionique est l'hydrogène. 5.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications ci-dessus dans lequel l'étape d'implantation ionique comporte l'implantation d'ions hydrogène en quantité suffisante pour créer une densité d'i-ons dans 13 interface dans la gamme des 1 à 1013 ions par 2 ledit interface dans la gamme des 1 à 1013 ions par cm 6.-. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications ci-dessus dans laquelle l'étape de chauffage dans une atmosphère inerte comporte l'étape de chauffage dans de l'azote pendant un temps compris entre une demie-heure et une heure et à- une température comprise entre 450 et 6000. 7.- Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications ci-dessus caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape de fo-rmation d'une couche de métal sur au moins une portion de ladite couche isolante avant l'étape d'implantation ionique.