Brevet FR2212648A1 — publié le 19740726

La présente invention concerne des dispositifs semiconducteurs, et plus particulièrement un dispositif à transistor à effet de champ comportant une couche diélectrique améliorée. Un transistor à effet de champ est composé, de façon classique, de deux régions diffusées qui sont espacées et incluses dans un corps semiconducteur monocristallin qui est légèrement dopé d'un type à conductivité opposé à celui des deux régions, et d'une électrode conductrice recouvrant la zone se situant entre les deux régions diffusées. L'électrode de porte est séparée et isolée du corps semiconducteur par une mince couche de diélectrique de porte. Pendant le fonctionnement, un potentiel appliqué sur l'électrode de porte entralnera la formation d'un canal conducteur entre les régions diffusées qui permettront l'écoulement des porteurs de charge. Le canal est induit par le champ électrique dû à l'application d'un potentiel sur ltélectrode de porte.En l'absence de canal induit, l'écoulement des porteurs de charges ne s'effectue pas. Un élément important du transistor à effet de champ qu'on désignera par transistor FET est la couche de diélectrique de porte séparant l'électrode de porte du corps semiconducteur. Le diélectrique doit être relativement mince, fréquemment de l'ordre de 0,04 à 0,1 #, de façon à placer la porteconductrice aussi proche que possible du corps semiconducteur pour réaliser effectivement par ce moyen le champ électrique à l'intérieur du corps semiconducteur. La tension de seuil, c'est-à-dire, la tension minimum nécessaire pour réaliser un canal conducteur dans le corps semiconducteur est directement influencée par l'épaisseur du diélectrique de porte.L'intégrité du diélectrique de porte, c'est-à-dire la possibilité de resister au claquage, doit être très bonne de façon à supporter les contraintes électriques élevées et répétées qui se produisent pendant le fonctionnement normal. Un autre aspect qui est directement lié au diélectrique de porte est que, en plus du champ électrique appliqué sur ltélectrode de porte, des états de surface entre l'électrode et le corps semiconducteur affecteront aussi la formation d'un canal conducteur entre la région de source et la région de drain. L'élimination de cet effet est très important pour un fonctionnement sur et fiable du transistor FET. Lorsqu'un circuit est conçu de façon à fonctionner avec une certaine tension de seuil pour un transistor FET donne dans une certaine gamme de valeur, et que la tension de seuil change pendant le fonctionnement et passe à l'extérieur de cette gamme de valeur pendant une certaine période de temps, à cause des charges emprisonnées, le dispositif devient inopérant. De plus, les états de surface diminuent la mobilité des électrons dans un canal conducteur et peuvent rendre le fonctionnement du dispositif non satisfaisant à cause de la basse conductance de transfert. On utilise très largement le dioxyde de silicium dans la fabrication des portes diélectriques des transistors FET et des dispositifs similaires à cause des caractéristiques électriques Souhaitables. Parmi les différentes formes de Si02on préfère en général le Si02 obtenu par oxydation thermique d'un corps semiconducteur de silicium parce que les propriétés d'interface Si-SiO2 sont bien connues et peuvent etre contrôlées de façon précise.Cependant, un des inconvénients d'une porte en Si02 obtenu par oxydation thermique est la présence de points faibles qui peuvent etre la cause de panne électrique lorsqu'on applique un champ électrique. Si02 obtenu par dépôt de vapeurs chimiques ntest pas satisfaisant en tant que diélectrique de porte puisque les propriétés d'interface ne peuvent pas être contrôlées de façon adéquate et sont, en général, non satisfaisantes. Afin d'obtenir un diélectrique de porte plus stable et plus faible, on a suggéré différentes combinaisons de couches de diélectriques. La couche composite de Si02 et Si N èst déjà connue. Bien que la couche de Si N fournisse une couche dense et imperméable, rendant possible la fabrication de couches de porte de diélectrique minces. la stabilité par rapport à la tension de seuil, n'est pas satisfaisante, due aux différences de paramètres fondamentaux de résistivité diélectrique. En outre, ces combinaisons présentent une difficulté de traitement puisque on doit en général utiliser des décapants différents pour effectuer des ouvertures à travers les couches composites. Un objet de la présente invention est de proposer un nouveau transistor à effet de champ particulièrement adapté dans l'utilisation des applications de circuits intégrés. Un autre objet de cette invention est de proposer un diélectrique de porte amélioré. Un autre objet de cette invention est de proposer un nouveau procédé de fabrication de couches de diélectrique pour les transistors à effet de champ. Ces objets sont atteints en réalisant, dans un transistor à effet de champ comportant des diffusions de source et de drain réalisées dans un corps monocristallin de silicium, une électrode de porte sur la région située entre les régions de source et de drain, un -diélectrique de porte- étant disposé entre l'électrode de porte et le corps semiconducteur, ce diélectrique étant constitué de deux couches à savoir l'une, inférieure, de Si02 obtenue par croissance thermique et l'autre, supérieure et contiguë à la couche inférieure, de Si02 obtenue par dépôt en phase vapeur. D'autres objets caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en#référence au dessin annexé à ce texte qui représente un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure unique est une coupe représentant une réalisation préféré#e de la présente invention. En se référant maintenant à cette figure, il est représenté un transistor à effet de champ selon la présente invention. On comprendra que cette figure ne décrit qu'un dispositif unique, mais que, dans la pratique, une application de circuits intégrés peut utiliser plusieurs dispositifs similaires connectés en circuits. Le transistor à effet de champ 10 comporte une région de source 12 et une région de drain 14 dans un corps 16 de silicium monocrist#allin. La surface du corps 16 est recouverte d'une couche relativement épaisse d'isolation de champ 18 qui occupe la majeure partie de la surface du dispositif à l'extérieur de la région de porte. Des électrodes 13 et 15 constituent un contact ohmique avec la source 12 et le drain 14.Au-dessus de la surface localisée entre les régions de source et de drain, se trouve une électrode de porte 20 qui peut être constituée de tout métal conducteur adéquat, ou bien d'une couche de silicium polycrystallin dopée. La couche de diélectrique de porte 22 est placée entre l'électrode 20 et la surface supérieure du corps semiconducteur 16. La couche 22 est une couche composite constituée d'au moins deux couches de- Si02, 22A et 228..La couche 22A est une couche génétique de Si02 réalisée par oxydation thermique de la surface exposée du corps 16. En général, la couche 22A est réalisée par chauffage du corps semiconducteur 16 dans une atmosphère oxydante, en général de l'air, de l'oxygène, de la vapeur d'eau ou d'un mélange.De préférence, la couche 22A est réalisée par oxydation dans l'oxygène à 1.000oC. Les différentes techniques d'oxydation thermique du silicium pour réaliser une couche génétique sont bien connues dans l'art. La couche -226 est aussi constituée de Si02 mais est formée par dépôt par voporisa- tion. Des techniques de dépôt par vaporisation de Si02 sont de même bien connues dans l'art. Une technique préférée est le dépôt par vaporisation chimique de Si02 par chauffage d'un substrat à une température de l'ordre de 6000C en faisant passer un mélange d'azote , de silane et de protoxyde d'azote sur la surface chauffée.Il est important de noter que la couche 226 est constituée de silicium qui provient d'un corps réactif contenu dans un écoulement gazeux sur le substrat. Si02 peut aussi être déposé par vaporisation, à une faible température de l'ordre de 4000C, en faisant passer le mélange gazeux se composant d'azote, de silane et d'oxygène sur la surface chauffée. Oifférents composés peuvent être utilisés à la place du silane, comme par exemple, le tetrachîcrure de silicium, le bromure de silicium ou des corps identiques. Un agent qui retarde la migration des ions positifs mobiles, én particulisr des ions Na+, peut être inclus dans l'oxyde déposé par vaporisation chimique, avec un pourcentage de 1 à 6 % en poids atomique. Comme agent classique on trouve le bore, le phosphore, l'aluminium et le plomb. il est aussi prévu une couche de verre de passivation 24 pour protéger le transistor 10. La couche composite 22 de Si02 est supérieure aux couches de porte de diélectrique de Si02 réalisées entièrement par oxydation thermique ou par dépôt par vaporisation. Une couche de diélectrique de porte réalisée entièrement par oxydation thermique-a de bonnes propriétés d'interface qui donnent uné faible densité de charges de surface et une faible densité de l'état de surface. Aussi, l'épaisseur peut ~être contrôlée de façon précise pendant la fabrication. Cependant, l'intégrité de l'oxyde thermique n'est pas satisfaisante, particulièrement lorsque la couche est très mince, c'est-à--dire inférieure à 0,1 > L. En théorie, les défauts de surface dans le corps monocristallin se propagent au moins en partie à travers le film pendant sa croissance. Ceci entrains des claquages de diélectriques provoquant des courts-circuits. Inversement, une couche de diélectrique de porte réalisée entièrement par dépôt par vaporisation par les procédés décrits précédemment possède de bonnes caractéristiques d'intégrité, mais des propriétés d'interface insuffisantes. De tels films réalisés directement sur le silicium dans la région de porte ne sont pas satisfaisants puiqu'une tension de seuil stable pour un transistor à effet de champ donné ne peut pas être atteinte uniformément. La couche de diélectrique de porte composite de Si02 de l'invention possède une très bonne intégrité et de bonnes caractéristiques d'interface entraînant une faible densité de charges de surface et une faible densité de l'état de surface. Pendant le fonctionnement, cette dite couche de diélectrique n entraînera pas un court-circuit et maintiendra une tension de seuil stable. De plus, puisque toute la couche est composée de la même composition élémentaire, soit Si0 elle peut être fabriquée en utilisant un seul décapant, au contraire 2, des couches diélectriques de porte connues dans l'art antérieur qui utilisent deux types différents de matériau tel que par exemple Si02#t Si N ou Si02 et Al 203 Aussi, puisque la couche est de même composition élémentaire, possédant naturellement la même constante diélectrique et la même résistivité, il ne se produit pas à l'intérieur de-charges d'interface. Le transistor 1D peut être fabriqué de différentes façons. Cependant, en général, une couche de matériau dielectrique, habituellement de l'oxyde thermique, est réalisée sur la surface d'une tranche semiconductrice qui a été polie et entièrement nettoyée. Des ouvertures sont ménagées dans la couche diélectrique Selon une technique générale, le diélectrique de porte est alors fabriqué dans les ouvertures, et des ouvertures supplémentaires sont obtenues pour diffuser des impuretés dans le corps semiconducteur en réalisant les diffusions des régions de source 12 et de drain 14. D'une autre façon, on oeut réaliser à travers les ouvertures de la couche d'oxyde initiale, les diffusions de la région de source et de la région de drain, et ensuite on peut éliminer l'oxyde de la région de porte et reformer le diélectrique de porte.Ultérieurement, une couche de métal est déposée et réalisée de façon à constituer la configuration métallurgique désirée en utilisant des techniques photolithographiques et des décapages classiques. En général, une couche de passivation est ensuite déposée sur la configuration métallurgique, soit par dépôt par vaporisation chimique, soit par pulvérisation à haute fréquence. En général, la couche de porte diélectrique de l'invention est adaptable à chacun de ces procédés. Les exemples suivants font partie intégrante de la présente invention et permettent d'illustrer les réalisations particulières préférées des couches diélectriques de porte selon l'invention et de les comparer aux couches de diélectrique de porte connues dans l'art antérieur. Ces exemples n'ont aucune nature limitative. Exemple 1 Un certain nombre de tranches de silicium, dopées au bore et présentant une résistivité de 2 ohm/cm, coupées parallèlement au plan et polies, sont préparées par nettoyage et oxydation dans un mélange d'oxygène-vapeur d'eau à 10000C jusqu'à formation d'un film d'oxyde de 3.000 A. En utilisant le décapage photolithographique et chimique, des régions de l'oxyde sont éliminées dans les zones des tranches où le film de porte diélectrique à tester est réalisé. Après nettoyage des surfaces des tranches, un tiers de celles-ci sont traitées séparément.On forme sur ces tranches une couche de dioxyde de silicium obtenue par oxydation à chaud dans une atmosphère d'oxygène à 1.000cru. Ces tranches sont ultérieurement enlevées du four d'oxydation et un film de dioxyde de silicium supplémentaire est déposé par procédé chimique dans un four à 6000C à travers lequel circule un mélange gazeux se composant d'azote, comme gaz porteur, de silane et du protoxyde d'azote. Le débit classique est de 70 litres par minute pour l'azote, de û,01 litre par minute pour le silane et de 1 litre par minute pour le protoxyde d'azote. La vitesse de dépôt est approximativement de 180 A par minute. L'épaisseur de la couche de diélectrique de test est mesurée par procédé optique tellipsométrie) comme l'est l'épaisseur de chacun des composants du diélectrique composite.Cette dernière mesure est faite sur des tranches de contrôle qui n'accompagnent les tranches de test que dans les fours d'oxydation thermiques et dans le four de dépôt par-procédé chimique. On détermine que la couche composite a une épaisseur totale de 730 A. dont 360A pour la couche de Si02 obtenue par procédé thermique et 370 A d'épaisseur pour la couche de Si02 obtenue par dépôt chimique. Un autre tiers des tranches sont traitées par oxydation dans une atmosphère-d'oxygène à 1.0000C jusqu'à l'obtention d'une épaisseur de 800 A pour Six2. Le tiers des tranches est placé dans un agent réactif et une couche de Si02 est réalisée par dépôt chimique. Le dépôt est aussi réalisé dans un four à 6000C dans lequel circule un mélange gazeux renfermant de l'azote comme gaz porteur, du silane et du protoxyde d'azote.Une couche d'aluminium de 10.000 A est déposée sur lla surface de toutes les tranches par vaporisation sous vide. Par procédé de décapage photolithographique et chimique, on réalise, en une seule étape, un réseau de structures NOS avec une zone de test de 0.0044 cm et une zone de contact sur l'oxyde épais de 3.000 . Chaque contact d'aluminium possède par-conséquent une zone uniforme déposée sur le film diélectrique soumis au test, qui est connecté à une borne de contact déposée sur le film d'oxyde plus épais adjacent. Un premier test électrique, pour déterminer l'intégrité des films, est réalisé sur chaque dispositif NOS. Le test consiste à appliquer un potentiel en courant continu sur chacun des dispositifs NOS testé en plaçant borne négative sur le métal. Un contact est réalisé sur le dos de la tranche pour constituer la borne positive. Le silicium est ensuite placé dans le mode d'accumulation près de son interface avec le diélectrique. Le potentiel en courant continu augmente linéairement en fonction du temps à la vitesse de 3 volts par seconde à partir d'une valeur initiale de 1 volt. Le potentiel, pour lequel le diélectrique devient défaillant et qui est indiqué par une crête de courant, représente le potentiel de claquage et le champ de claquage est calculé en divisant ce potentiel par l'épaisseur du diélectrique.Le test appliqué est décrit de façon plus détaillée dans l'article "Die-lectric Breakdown in SiO2 Films on Silicon" de C.M. Osburn et D.W. Armound, paru dans Journal of Electrochemical Society", Vol. 119 pages 51-696, Mai 1972. Puisqu'il y a de nombreux échantillons de chacune des couches de diélectrique, les moyennes des résultats sont reportées sous forme de tableau: TABLEAU I 'Tests. des 'champs. de claquage Diélectrique testé épaisseur moys e ia 10 classique (Si02) A (10 V cm 13 (106V cm 1) Composite 730 1 7,6 0,68 Procédé Thermique 800 5,3 1,93 Procédé de 040 Dépôt par vapo- 1000 8,5 risation chimique Comme les données ci-dessus l'indiquent, la couche composite se compare favorablement avec la couche diélectrique de SiO2 déposée par vaporisation chimique.La couche déposée par procédé thermique est très différente et présente une déviation classique beaucoup plus importante indiquant que les expériences faites sur la couche seront très incertaines. Exemple 2 Trois ensembles de tranches renfermant les trois types différents de couches diélectriques ont été pveparés de la façon décrite dans l'exemple 1. Le film est soumis à un potentiel correspondant à un champ de 4.000.000 volts/ cm à une température de 2500. Le courant à travers le dispositif NOS est contrô lé et un courant en excès de 10 6 ampères est considéré comme une indication de défaillance diélectrique. On enregistre le temps d'obtention de la défaillance à partir du début de l'application de la contrainte.A nouveau, les résultats de test sont rassemblés et disposés souus la forme du tableau suivant: TABLEAU Il Tests de contrainte de température - Potentiel défaillance cumulative (%) Oiélectrique testé épaisseur 1 heure 10 Heures 100 heures (SIO2) A Composite 760 1 0 16 57 Procédé Thermique 850- 28 33 53 Procédé de Dépôt par vaporisation chimique 1020 3 10 10 Le tableau ci-dessus indique que les défaillances, au début, sont totalement éliminées dans le film composite, contrairement à l'état de l'oxyde obtenu par procédé thermique. Ceci indique que, pour les FET, l'utiliaation de diélsstrique composite éliminé l'apparition de défaillances prématurées sous des conditions de champ, ce qui pose un problème de fiabilité aigü dans les transistors à effet de champ. Exemple 3 Quatre jeux différents de transistors à effet de champ à canal sont fabriqué: avec des diélectriques de portes différents dans cheque jeu. Le premier jeu possède un diélectrique de porte de 500 A d'épaisseur constitué de SiO2 obtenu par procédé thermique. Le second ensemble possède un diélectrique de porte composé de 300 A de SiO2 obtenu par dépôt par vaporisation chimique, appelé ici C.V.O. > et d'une couche supérieure de Si3N4 ayant une épaisseur de 300 A donnant une épaisseur totale de 600 A. Le troisième jeu utilise le diélectrique de porte de l'invention et comporte une couche inférieure de 200 A de SiO2 obtenu par procédé thermique recouvert d'une couche de 300 A de SiO2 déposé par vaporisation chimique, réalisant une couche totale de 500 A d'épaisseur.Le quatrième jeu a un diélectrique de porte de 500A d'épaisseur constitué de SiO2 déposé par vaporisation chimique directement sur le silicium. L'effet de chaque diélectrique de porte sur la mobilité des électrons est alors mesuré et comparé. De façon à déterminer la mobilité des électrons, on utilise l'expression suivante: où pe représente la mobilité des électrons dans un dispositif à canal N, E c est la constante diélectrique du vide, E la constante diélectrique du ox matériau de la porte, d l'épaisseur de la couche diélectrique. La transconductance g est déterminée par mesure physique des différents paramètres de chaque transistor FET conformément aux techniques scientifiques.La mobilité des électrons #e est ainsi la seule inconnue de l'expression ci-dessus et peut être calculée Le tableau III donne les résultats suivants: TABLEAU III Diélectrique de porte électrique de porte pe Mobilité des électrons cm/volt-sec. - SiO2~thermique~t500 A) 524 SiO2 C.V.D. t300 A) plus Si N (300 A) 292 SiO2 thermique t200 Al plus SiO2 C.V.D. (300A) 503 SiO2 C.V.O. t500 A) - 249 Tous les transistors utilisent un oxyde de champ de SiO2 . de 4200 A d'épatsseur > obtenu par oxydation du substrat de silicium. La mobilité électronique est indépendante des dimensions physiques des dispositifs à transistors à effet de champ et constitue une mesure des caractéristiques de transport des porteurs. Les caractéristiques d'interface de l'oxyde affectent directement la mobilité des électrons. Il est souhaitable que cette valeur soit la plus élevée possible. Comme le tableau ci-dessus l'indique, la mobilité du diélectrique de porte de l'invention se compare de façon très favorable à celle du diéle#ctrique de porte SiO2 obtenu par procédé thermique ou diélectrique de porte réalisée par SiO2 obtenu par dépôt par vaporisation'chimique ou encore du diélectrique comportant la couche composite de SiO2 et de nitrure de silicium. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur le dessin les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Transistor à effet de champ du genre comportant un corps monocristallin de silicium renfermant les zones de drain et de source, une électrode de porte située au-dessus de la région comprise entre les zones de drain et de source. et des bornes en contact avec les zones de drain et de source, ce transistor étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre: une couche diélectrique de porte disposée entre l'électrode de porte et ledit corps de silicium, cette couche diélectrique comportant une couche inférieure de SiO2 obtenu par croissance thermique et une couche inférieure de SiO2 obtenu par dépôt chimique en phase vapeur. 2.- Transistor selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de diélectrique est de l'ordre de 200 à 1000 A. 3.- Transistor selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les couches de SiC2 thermique et de SiC2 déposé en phase vapeur ont approximativement la même épaisseur. 4.- Transistor selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la couche supérieure de SiC2 déposée en phase vapeur a une épaisseur au moins égale à la moitié de l'épaisseur de la couche de diélectrique de porte. 5.- Transistor selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé an ce que la couche de SiC2 obtenu par croissance thermique est formée en chauffant le corps de silicium dans une atmosphère d'oxygène 6.-- Transistor selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la couche de SiC2 obtenu par dépôt chimique en phase vapeur est formée en faisant passer un mélange gazeux de silane et de protoxyde d'azote sur ledit corps chauffé. 7.- Transistor selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'oxyde obtenu par dépôt chimique contient un agent qui retarde la migration des ions positifs mobiles dans l'oxyde, cet agent étant choisi dans le groupe comportant le bore, le phosphore, l'aluminium, le plomb et leur mélange.