Brevet FR2395606A1 — publié le 19790119

La présente invention concerne les structures de capacité en général, et en particulier une structure de capacité améliorée à champ relevé' utilisant une région de piégeage de porteurs et pouvant s'appliquer en particulier aux structures de capacités semiconductrices. On pense que la présence d'aspérités ou de défauts à la surface du silicium augmente le courant de fuite de l'isolant et provoque de faibles tensions de claquage dans les dispositifs métal-oxyde-sernconducteur (MOS). Ce phénomène a été approfondi, pour les oxydes thermiques formés par croissance sur le silicium polycristallin, dans l'article de D.J. Di Maria et D.R. Kerr, intitulé "Interface Effects and High Conductivity and Oxides Grown From Polycristalline Silicon et paru dans "Applied Physics Letters" pages 505 à 507, No 9, volume 27 du ler novembre 1975. Les oxydes thermiques formés par croissance sur le silicium polycristallin sont importants pour divers types de dispositifs basés sur la technologie du silicium, les dispositifs MOS fonctionnant par injection de porteurs dans une porte flottante (FAMOS), les dispositifs à avalanche par injection à ré-écriture (RADI) et les dispositifs à couplage de charges (CCD) par exemple. On pense que ces aspérités provoquent l'apparition de champs locaux élevés qui, à leur tour, créent localement des densités de courant d'obscurité élevées (limitees par l'interface, effet tunnel de Fowler Nordhiem) et de faibles tensions de claquage. On pense que ta présence d'asperites à la surface des substrats métalliques des capacités à films minces crée des claquages à faible tension de champ, pratiquement identiques à ceux observés dans le cas des oxydes thermiques formés par croissance sur le silicium polycristallin. Il est nécessaire de trouver un moyen de réduire les points à champ élevé ou leurs effets dûs aux aspérités situées entre le substrat et l'isolant dans une structure de capacité, afin d'améliorer le courant de fuite et la tension de claquage de la structure. Conformément à l'invention, on incorpore une région ou couche de piégeage de porteurs dans l'isolant, adjacente au substrat. Si lton applique l'invention à une structure MOS, la région ou la couche de piégeage est constituée par des pièges à électrons introduits dans l'isolant en SiO2. Les grandes densités de courant locales, dues aux aspérités, chargent#les pièges à électrons aux points à champ élevé, réduisant ainsi les champs locaux et le courant. La région ou la couche de piégeage doit être aussi proche que possible du silicium afin d'augmenter au maximum l'effet des charges piégées sur les champs locaux mais cependant doit être suffisamment éloignée pour éliminer la possibilité d'un passage inverse lors de la décharge des pièges lorsqu'aucune tension n'est appliquée. Dans le cas d'une structure MOS dans laquelle on dépose, tout d'abord, du silicium polycristallin sur du silicium monocristallin et que l'on oxyde ensuite thermiquement une partie, on décrit spécifiquement trois manières de former la région ou la couche de piégeage. On forme, tout d'abord, une mince couche de SiO2 thermique sur le polysilicium. Cette mince couche de SiO2 thermique peut être formée par oxydation thermique du polysilicium. On dépose ensuite une couche relativement épaisse de SiO2, formée par dépôt chimique en phase vapeur, sur la mince couche de SiO2 thermique. Dans cette structure, la couche de SiO2, formée par dépôt chimique en phase vapeur, agit comme une région de piégeage d'électrons. L'efficacité de piégeage des électrons de cette structure peut être améliorée considérablement en déposant une très mince couche de piégeage sur la couche de SiO2 thermique avant de déposer la couche relativement épaisse de SiO2 formée par dépôt chimique en phase vapeur. Le tungstène est le matériau préféré pour cette couche, mais on peut utiliser également d'autres matériaux comme l'aluminium. Cette couche n'est pas continue et peut entre formée de nombreux points très minces comme le montrent D.R. Young, D.J. Di Maria et N.A. Bojarcuk dans leur article "Electron Trapping Characteristics of W in SiO2,, paru dans le "Journal of Applied Physics" d'août 1977. Cette structure permet de localiser avec précision les pièges à électrons. Enfin, à l'inverse de la structure contenant une mince couche, on peut former une structure dans laquelle l'isolant intercalé entre le polysilicium et l'électrode métallique est constitue entièrement par du SiO2 thermique. On forme la région ou la couche de piégeage des électrons dans cet isolant par implantation ionique de phosphore, d'arsenic ou d'aluminium, près de l'interface entre le polysilicium et le SiO2 thermique. Dans le cas des capacités à films minces, un substrat type peut être en tantale ou en aluminium. A partir de ce substrat, on fait croître chimiquement un oxyde. L'isolant serait en Ta205 dans le cas d'un substrat en tantale alors que l'isolant serait A1203 dans le cas d'un substrat en aluminium. Conformément aux enseignements de la présente invention appliqués à cette structure, on forme, par implantation ionique, une région ou couche de piégeage des électrons près de l'interface entre le substrat et l'oxyde forme par croissance chimique. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit, fait en référence aux dessins annexés à ce texte, qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure I est la coupe d'une structure MOS typique, La figure 2 est la coupe d'une structure MOS conforme à une première réalisation de l'invention, La figure 3 est la coupe d'une structure MOS conforme à une seconde réalisation de l'invention, La figure 4 est la coupe d'une structure MOS conforme à une troisième réalisation de l'invention, La figure 5 est un graphique représentant la densité de courant #'obscurité en fonction de la grandeur du champ moyen pour une polarisation de porte positive des échantillons A, B et C qui correspondent respectivement aux figures 1, 2 et 3, La figure 6 est un graphique représentant la densité de courant d'obscurité en fonction de la grandeur du champ moyen pour une polarisation de porte négative des échantillons A, B et C, La figure 7 est un histogramme de l'échantillon A représentant le pourcentage de claquages du diélectrique en fonction de la grandeur du champ moyen avec une polarisation de porte positive, et La figure 8 est un histogramme de l'échantillon C représentant le pourcentage de claquages du diélectrique en fonction de la grandeur du champ moyen avec une polarisation de porte positive. Les techniques de dépôt du silicium polycristallin sur du silicium monocristallin N dégénéré, de dopage du silicium polycristallin et d'oxydation thermique ultérieure, sont décrites dans l'article de D.J. Di Maria et D.R. Kerr, mentionné précédemment. La figure 1 illustre une coupe de cette structure. On dépose le polysilicium sur un substrat en silicium monocristallin et on l'oxyde ensuite pour produire l'isolant en SiO2. On dépose une électrode métallique, généralement en aluminium, sur cet isolant. Comme le montre la figure 1, l'interface entre le polysilicium et le SiO2 thermique est assez inégale. Les points élevés, c'est à dire les points les plus proches de l'électrode métallique, dus à ces aspérités, sont des points à champ élevé. Bien que le courant moyen traversant l'interface puisse être relativement faible, les courants élevés locaux dus aux champs élevés localisés aux points élevés peuvent provoquer un claquage local de l'isolant en SiO2, avec des champs moyens relativement faibles. Dans la structure MOS montrée dans la figure 2, la couche de SiO2 thermique est relativement mince, d'épaisseur a. Cette couche peut être formée par oxydation thermique du polysilicium. On forme ensuite une couche beaucoup plus épaisse par dépôt pyrolytique ou par dépôt chimique en phase vapeur, sur cette couche relativement mince en SiO2 thermique. L'épaisseur de la couche en SiO2, formée par dépôt chimique en phase vapeur, est appelée b. Alors que la couche en SiO2 thermique contient peu de pièges à électrons, la couche en SiO2 pyrolytique, au contraire, fait preuve d'une certaine efficacité de piégeage des électrons. On pense que cette efficacité de piégeage des électrons est liée à la présence d'eau dans le SiO2 forme par dépôt chimique en phase vapeur. Une amélioration importante de la structure montrée dans la figure 2 est obtenue grâce à la modification réalisée dans la figure 3. Ici, on dépose une couche de tungstène sur la couche relativement mince en SiO2 thermique avant de déposer la couche plus épaisse en SiO2 pyrolytique. Cette couche de tungstène est très mince, de l'ordre de 1014 atomes/cm2, et, de ce fait, elle n'est pas continue. Cette couche peut être considérée comme étant constituée par de nombreux points de tungstène. Bien que le tungstène ait été utilisé pour une construction spécifique de l'invention, ceux expérimentés dans l'art admettrons que d'autres matériaux peuvent être utilisés également, l'aluminium par exemple. Afin de démontrer les avantages de l'invention, on a fabriqué des structures MOS, conformes aux figures 1, 2 et 3 et appelées échantillons A, B et C suivants Echantillon A Al-SiO2 thermique (450 X)-polysilicium (3,5 x 10 3n cm de type N). Echantillon B Al-SiO2 pyrolytique (520 )-SiO2 thermique (70 A)- polysilicium (3,5 x îo## n cm) Echantillon C Al-SiO2 pyrolitique (520 )-W (1014 atomes/cm2)- SiO2 thermique (70 )- polysilicium (3,5 x 10 J # cm Dans chaque échantillon A, B et C, les électrodes de porte circulaires en aluminium ont des surfaces de 1,3 x 10 -2 cm2 et des épaisseurs de o 3000 A environ. On n'a réalisé aucun recuit après la métallisation. Toutes les épaisseurs des oxydes ont été déterminées par la capacité des MOS. Les caractéristiques courant d'obscurité-tension de porte appliquée ont été mesurées sur des échantillons vierges en utilisant une rampe de tension constante (figure 5) ou en marches d'escalier, (figure 6). Pour les expériences avec la rampe de tension constante, on a utilisé une rampe de 5,1 x 10 -2 mV/cm-seconde ou de 9,5 x 10 3 mV/cm-seconde. La tension était dirigée de manière à augmenter la grandeur de la polarisation positive ou négative jusqu'à atteindre un courant de 8 x 10 -7 A/cm2, ensuite la direction de la rampe était inversée.Les résultats ont été mis en évidence par les graphiques des figures 5 et 6 qui ont été corrigés pour le courant de déplacement (3,5 x 10 9 A/cm2) en raison de la vitesse de variation de la tension de porte. Pour les expériences avec la rampe, en marche d'escalier la tension initiale de départ était celle obtenue lorsque les courants électroniques de conduction commencent à dépasser le courant de déplacement. Pour les expériences utilisant des tensions en marches d'escalier, la grandeur du champ moyen a été. augmentée parétapes de 1 mV/cm à partir de O V pour chaque polarité de porte, jusqu'à ce que les échantillons présentent des claquages destructifs.Bien que les caractéristiques courant-tension aient présenté quelques différences dues aux différences d'emmagasinage des charges négatives piégées dans les structures, les deux techniques expérimentales ont donné les mêmes résultats. Les figures 5 à 8 montrent clairement qu'une couche de piégeage de charges détruit l'effet des champs locaux élevés dus aux aspérités présentes à l'interface silicium polycristallin-bioxyde de silicium thermique. Dans les figures 5 et 6, la grandeur du champ moyen (grandeur de la tension de porte divise par l'épaisseur totale d'oxyde de la structure) nécessaire à la mesure d'un courant donné dans le circuit externe est plus grande lorsqu'une couche de piégeage d'électrons est présente, quelle que soit la polarité. Il est à remarquer que la structure de l'échantillon C (avec la couche de tungstène) est meilleure que la structure de l'échantillon B (sans la couche de tungstène).Ceci est conforme à l'observation expérimentale, c'est à dire que l'efficacité de piégeage de la structure avec la couche de tungstène (échantillon C) est plus grande que celle de la structure contenant seulement l'oxyde formé par dépôt chimique en phase vapeur (échantillon B). Les caractéristiques I-V des structures des échantillons B et C, qui ont une couche de SiO2 pyrolytique de 520 , sont déplacées vers des champs moyens nettement plus élevés que ceux la structure de l'échantillon A.On pense que la meilleure efficacité de. piégeage de la structure avec la couche dioxyde pyrolytique sur la couche d'oxyde thermique (échantillon B), par rapport à la structure contenant seulement l'oxyde thermique formé par croissance sur le substrat en silicium polycristallin (échantillon A), est due à la présence d'eau dans-l'oxyde formé par dépôt pyrolytique ou formé par dépôt chimique en phase vapeur. Les caractéristiques I-V des structures des échantillons B et C sont du même ordre que celles des structures MOS contenant des oxydes thermiques formés par croissance sur des substrats en silicium monocristallin. On pense qu'une possible explication de ce phénomène pourrait être la suivante (1) Des pièges locaux se forment pour détruire rapidement l'effet des aspérités lorsqu'on applique de faibles tensions de porte. (2) Lorsque le champ augmente un piégeage uniforme apparait et décale les caractéristiques I-V vers les champs moyens plus élevés. D'après les mesures I-V de la tension en marches d'escalier, il semble que des pièges locaux se forment dans les structures des échantillons B et C à très faible courant ( L'hystérésis dans les données représentées par les figures 5 et 6 est due au piageage des électrons. Des données semblables à celles des figures 5 et 6 sur une structure MOS avec une couche d'oxyde thermique a de 563 A formée sur un substrat en silicium monocristallin dégénéré ont montre une hystérésis plus faible pour les deux polarités de tension que celle observée pour une polarité de porte négative sur la structure de l'échantillon A, comme on le voit dans la figure 6. La valeur de l'hystérésis pour les deux polarités est la plus grande pour la structure de l'échantillon C, vient ensuite celle de la structure de l'échantillon B, la plus petite étant celle. de la structure de l'échantillon A.L'hystérésis pour une polarisation de porte positive de la structure de l'échantillon A, que l'on voit dans la figure 5, a été décrite dans l'article de D.J. DiMaria et D.R. Kerr, mentionne précédemment, et l'on pense qu'elle est due au piégeage local renforcé dans la couche d'oxyde thermique proche des points à champ élevé dus aux grandes densités de courant locales. Dans les cycles ultérieurs de soumission à une rampe de tension, toutes les structures ont présenté un effet de mémoire dans lequel le piégeage des charges négatives réalisé dans le cycle précédent décale les caractéristiques I-V vers des champs moyens plus élevés au début du cycle suivant. L'augmentation rapide du courant pour une polarisation de porte positive de la structure de l'échantillon C indique le début d'une fuite de courant proche du claquage destructif. Si les différences entre les données I-V des structures des échantillons B et C, comme le montrent les figures 5 et 6, sont dues au piégeage uniforme des charges négatives dans la couche de tungstène, on devrait pouvoir déterminer, en principe, la position de cette couche à partir des décalages de tension entre les échantillons B et C en utilisant une technique décrite récemment par D.J. DiMaria dans un article intitulé "Determination of Insulator Bulk Trapped Charged Densities and Centroids From Photocurrent-Voltage Characteristics of MOS Structures" paru dans le "Journal of Applied Physics" pages 4073 à 4077, No 9, volume 47 de septembre 1976.Cette relation photo I-V est la suivante x/L = [ 1 ou x est le centroîde mesuté à partir de l'interface Al-SiO pyrolytique, L est l'épaisseur totale de l'oxyde de la structure, et laVg T et tQVg t sont les valeurs des décalages de tensions de porte pour une constante de photocourant pour des polarisations de porte positives et négatives respectivement. Si l'on utilise cette équation et les valeurs expérimentales de !Vg+ t/L et IYg l/L des données des figures 5 et 6, on a situé la couche de tungstène à 72 A de l'interface polysilicium SiO2 thermique ce qui est une valeur conforme à la valeur-mesurée de 70 A.On a utilisé uniquement des valeurs de courant inférieures à 3 x 10 8 A/cm2 afin d'éviter la formation d'une région de fuite de courant dans la structure de l'échantillon C pour une polarisation de porte positive. Les figures 7 et 8 montrent les répartitions des claquages destructifs et des autoréparations pour une polarisation de porte positive (injection de polysilicium) dans les structure cis #chantillon-; @ et C. Les répartitions, dans la figure 8, pour l'echantillon C, montrent très peu de claquages de champ moyen faible qui sont caractéristiques des surfaces du silicium polycristallin oxydé thermiquement, comme le montre la figure 7 pour l'échantillon A.Ces histogrammes de la figure 8 sont en fait très proches d'un champ moyen de 8,8 mV/cm pour ces capacités à grande surface si l'on compare aux structures MOS à silicium monocristallin oxydé thermiquement, La position de la couche de piégeage en tungstène est rapprochée de l'interface silicium polycristallin-SiO2 thermique afin de réduire au maximum le champ entre la charge négative piégée et cette interface, tout en diminuant la possibilité d'une décharge par émission de champ assisté thermiquement ou émission de champ vers la bande de conduction de l'oxyde pyrolytique dans la région de champ renforcé dans la couche d'oxyde forme par dépôt chimique en phase vapeur. Cependant, la région en tungstène a été choisie suffisamment éloignée de l'interface polysilicium SiO2 thermique afin d'éviter le passage inverse vers le polysilicium; par effet tunnel.En génaral, la région W doit être supérieure à 40-50 environ. D'autre part, la région W ne doit pas être très éloignée de l'interface silicium polycristallin-SiO2 thermique afin que les charges piégées n'aient pas un effet amoindri sur les champs causés par les aspérités de la surface du silicium. Si l'on se base sur des considérations pratiques, la distance maximum entre la région W et l'interface silicium o polycristallin-SiO2 thermique ne doit pas être supérieure à 150 A et doit être inférieure à 100 de préférence. Bien que l'utilisation d'un métal comme le tungstène pour la couche de piégeage de la structure de l'échantillon C soit très efficace, la structure de l'échantillon B montre que l'on peut utiliser d'autres couches de piégeage pour obtenir les réductions de courant et les augmentations de tension de claquage conformes à l'invention. Ces couches de piégeage peuvent être formées par implantation ionique, par évaporation ou par dépôt chimique en phase vapeur. Par exemple, la structure de la figure 4 est essentiellement identique à celle de la figure 1, à l'exception des ions implantés dans la couche de Si02 thermique dans la région qui correspond à la région W de la figure 3. Les ions implantés peuvent être du phosphore, de l'arsenic ou de l'aluminium.On a découvert que l'arsenic était particulièrement efficace pour la formation de pièges à électrons dans la couche de SiO2 thermique. La technique qui consiste à utiliser une couche de piégeage pour augmenter les tensions de claquage peut être utilisée dans des structures de capacité autres que les structures MOS. Par exemple, on fabrique des capacités à films minces à partir d'un substrat en tantale ou en aluminium en faisant croître chimiquement un oxyde du substrat en tant qu'isolant de capacité. L'isolant est Ta205, dans le cas du substrat en tantale, alors que isolant est Au203 dans le cas du substrat en aluminium. L'interface substrat-oxyde isolant présente des aspérités qui tendent à limiter le champ de claquage de ces capacités à films minces. Dans ce genre de structure, on peut former une région de piégeage d'électrons à l'interface substrat-oxyde isolant par implantation ionique. Bien que L'son ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins 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 - Structure de capacité élevée caractérisée en ce qu'elle comprend une paire d'électrodes espacées, une couche isolante interposée entre lesdites electrodes munie d'une région de piégeage de charges. 2 - Structure de capacité selon la revendication 1 dans laquelle une électrode est un substrat et l'isolant un oxyde de ce substrat, l'interface entre le substrat et l'isolant un oxyde de ce substrat, l'interface entre le substrat et l'isolant présentant des aspérités qui tendent à produire localement des champs. élevés, ladite région de piégeage est située près de ladite interface pour réduire ces champs élevés localisés. 3 - Structure de capacité selon la revendication 2 dans laquelle ledit substrat est un composite formé par un support en silicium monocristallin recouvert par une couche en silicium polycristallin, ledit isolant étant formé par oxydation thermique dudit silicium polycristallin pour former une première couche isolante mince de SiO2, qui est elle-même recouverte par une seconde couche épaisse de SiO2formée par dépôt chimique en phase vapeur (ou pyrolitique). 4 - Structure de capacité: selon la revendication 3, dans laquelle une mince couche de métal est interposée entre lesdites couches minces et épaisses de SiO2. 5 - Structure de capacité selon la revendication 4 dans laquelle ladite couche métallique est du tungstène dans la proportion d'environ 1014 at/cm2. 6 - Structure de capacité selon l'une des revendications 3 à 5 dans laquelle l'épaisseur de ladite couche mince de SiO2 est telle qu'elle élimine pratiquement l'effet tunnel inverse susceptible de libérer les pièges en l'absence de toute tension appliquée. 7 - Structure de cagacité selon la revendication 6 dans laquelle ladite épaisseur est 2 40 A 8 - Structure de capacité selon la revendication 2 dans laquelle ladite région de piégeage est formée par implantation ionique. 9 - Structure de capacité selon la revendication 8 dans laquelle ledit substrat est un composite formé par un support en silicium monocristallin recouvert par une couche en silicium polycristallin ledit isolant étant formé par oxydation thermique au moins partielle dudit silicium polycristallin, ladite région de piégeage étant formée dans l'oxyde près de l'interface. 10 - Structure de capacité selon la revendication 8 dans laquelle ledit substrat est un substrat métallique choisi dans le groupe comprenant Ta et Al, ledit isolant étant forme par oxydation thermique au moins partielle dudit substrat métallique, ladite région de piégeage étant formée dans l'oxyde près de l'interface. Il - Structure de capacité selon la revendication 9 ou 10 dans laquelle ladite implantation met en oeuvre des ions choisis dans le groupe comprenant P, As, et Ai. 12 - Structure de capacité selon la revendication 11 dans laquelle les ions sont des ions As.