Brevet FR2463510A1 — publié le 19810220

La présente invention concerne un procédé pour réduire la densité des états de surface rapides dans le cas de composants MOS, notamment dans le cas de composants à couplage de charge en surface, par saturation des valences libres au niveau de l'inter- face Si-SiO2, au moyen d'un recuit dans une atmos- phère d'hydrogène. En particulier pour des composants à coupla- ge de charge de surface, du type décrit par exemple dans le livre "Charge Transfer Devices", de Séquin et Tompsett, Academic-Press, New York, (1975) , pages 11/ 12, de faibles densités des états de surface au ni- veau de l'interface Si-SiO2 sont d'une importance déci- sive pour les caractéristiques de transmission (et le courant d'obscurité). Habituellement dans la technolo- gie, lors de la fabrication de composants MOS, après une excitation soignée de la grille, on réalise un recuit dans une atmosphère d'hydrogène. D'après un article de Deal aus dem Journal Electrochemical Society, Vol. 121, No. 6, pages 198 c à 205 c (1974), on saitque l'hydro- gène sature des liaisons libres (liaisons non saturées) au niveau de l'interface Si-SiO2. Ce qui est important, c'est alors la dissociation de la molécule de H2 en hydrogène atomique. Ce recuit en atmosphère d'hydrogène est exécuté à des températures situées dans la plage de 400 500%C pendant une durée d'environ 30 minutes. Lès densités des états de surface que l'on peut obtenir avec ce procédé sont de l'ordre de (5 - 10) 109 cm"2 eV-1; pour des composants à couplage de char- ge de surface, cela signifie une perte de transmission t d'environ (1 - 2) . 104 avec une charge de base, ce qui n'est pas suffisant pour de nombreuses applica- tions. Le problème qui est à la base de l'invention consiste par conséquent à réduire de façon supplémen- taire les densités des états de surface et donc à op- timiser les caractéristiques de transmission de compo- sants à couplage de charge (composants CCD). Ce problème est résolu à l'aide d'un procé- dé du type indiqué plus haut grâce au fait que, con- formément à l'invention, après la fabrication des structures des composants sur la surface équipée des électrodes, on dépose une couche diélectrique amorphe contenant du silicium et de l'hydrogène et que le recuit ultérieur est effectué dans une atmosphère non oxydante à une température qui est supérieure à la température de dépôt de la couche, mais est inférieure à 5001C. Grâce au recuit on obtient une rupture de la liaison Si-H dans la couche et l'hydrogène,faible- ment lié lors du chauffage, est libéré sous forme ato- mique. Il entre dans le cadre de l'inivention que le dépôt s'effectue au moyen d'une réaction de dépôt chimique en phase vapeur au cours d'une décharge par effluves électriques à basse pression et l'on utilise alors un réacteur à plaques, la pression du gaz étant réglée à une valeur comprise entre 50 et 300 mTorr. Les températures de dépôt sont situées entre 100 et 4500C. Comme gaz réactionnels on utilise de préfé- rence du silane (SiH4), qui est avantageusement dilué avec de l'azote (N2) ou avec de l'ammoniac (NH3). Lors du processus ultérieur de recuit, cet apport supplémen- taire d'hydrogène empêche une transformation de la couche amorphe en une variante polycristalline. Pour le dépôt des couches, l'épaisseur la plus appropriée pour ces dernières se situe dans la plage allant de 1000 à 10000 AngstrôLms. Le rapport atomique Si:H peut varier entre 2 et 10, tandis que le rapport atomique N:Si peut croître de O à 1,3. Lors de la fabrication de composants MOS, le dépôt est mis en oeuvre en plus du processus nor- mal à double dépôt de polysilicium. Avant le recuit, des fenêtres de contact permettant une mise en place des contacts à fils d'or sont dégagées par attaque chimique dans la couche contenant du silicium et de l'hydrogène, au moyen de procédés usuels photolito- graphiques. Ce qui est décisif pour le réglage des den- sités des états de surface, c'est le processus de re- cuit en atmosphère non oxydante, qui suit le dépôt de la couche contenant le silicium et l'hydrogène. Il est alors particulièrement avantageux de mettre en oeu- vre ce processus dans une atmosphère d'hydrogène ou dans une atmosphère de gaz inerte, la température de- vant être supérieure à la température du dépôt des couches, mais inférieure à 5000C. Grâce à ce recuit en effet les liaisons Si-H situées dans la couche sont rompues de sorte que l'hydrogène atomique, qui est libéré de ce fait, peut diffuser en direction de l'in- terface SiO2/Si et peut y saturer les valences libres. Par optimisation de ce recuit, on peut obtenir parfai- te ment des densités des états de surface de (6 + 2) 108 cm-2 eV-1. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et illustré schématiquement aux trois figures annexées un mode d'exécution-du procédé selon l'invention. Les figures 1 et 2 montrent des représenta- tions modèles relatives au processus de la saturation des valences libres avec de l'hydrogène (figure 1, état de la technique; figure 2, objet de l'invention). La flèche double sur les figures 1 et 2 caractérise la zone de jonction SiO2/Si, tandis que les flèches simples repèrent l'orientation des atomes hydrogène. La surface hachurée représente la zone de l'électrode. Sur la fi- gure 1, le symbole NSt désigne la position des états de surface rapides (saturés sur la figure 2 par l'hydrogène 4 2463510 atomique). La désignation SiXNYHz sur la figure 2 est censée représenter la position de la couche amorphe dé- posée en supplément, conformément à l'invention. Les réactions suivantes se déroulent dans le cas des modèles représentés sur les figures 1 et 2: Figure 1 avec du gaz H2 (1) Si- + H 2 > Si-H + H. (2) -Si- + H -- Si-H La réaction (1) se déroule très lentement. Figure 2 avec la couche de Si H NX (2) Si- +H - Si-H SixHyN - SixH YNZ+ H Sur la figure 3 on peut voir les valeurs opti- males pouvant être atteintes au moyen du procédé con- forme à l'invention. Sur un diagramme on a représenté la variation de la densité typique de cette surface NSS, qui a été mesurée avec la méthode des conductivités spécifiques sur des condensateurs MOS. La partie a reproduit la valeur de la densité des états de surface mesurée sur un composant après un recuit normal en hydrogène (= état de la technique); la partie b re- présente la valeur après le dépôt de la couche conte- nant du Si-hydrogène et la partie c représente la densité des états de surface après un léger recuit de la couche amorphe déposée, dans l'azote. Comme on peut le voir d'après ce diagramme, on obtient ici une densité optimale des états de surface NSS -cm2 eV- 7 de 4. 108 cm 2 eV-1. Le procédé peut être utilisé pour tous les composants à couplage de charge de surface ainsi que pour tous les composants MOS possédant des courants d'obscurité produits en surface. Les pertes de charge E, mesurées sur des dispositifs à couplage de charge 5. de surface fabriqués selon le procédé conforme à l'inven- tion et possédant une valeur de 1. 10-5 sont une con- dition préalable importante pour l'utilisation de ces composants en tant que filtres, mémoires et détecteurs à haute densité d'intégration. Les caractéristiques de transmission sont optimales. Par suite de la faible densité des états de surface, le pourcentage du courant de blocage dû à la production de surface est très faible. Le courant d'obscurité est, en étant rapporté à une électrode, plus petit, du facteur 3, que dans le cas des dispositifs connus jusqu'à présent. 6 2463510 REVENDICATIONS 1) Procédé pour réduire la densité des états de surface rapides dans le cas de composants MOS, notamment dans le cas de composants à couplage de charge en sur- face, par saturation des valences libres au niveau de l'interface Si-SiO2, au moyen d'un recuit dans une at- mosphère d'hydrogène, caractérisé par le fait qu'après la fabrication des structures des composants sur la surface munie d'électrodes, on dépose une couche dié- lectrique amorphe contenant du silicium et de l'hydro- gène, et que le recuit ultérieur est effectué dans une atmosphère non oxydante à une température qui est su- périeure à -la température du dépôt de la couche, mais est inférieure à 500WC. 2) Procédé suivant la revendication 1, caractéri- sé par le fait que le dépôt s'effectue au moyen d'une réaction de dépôt chimique en phase vapeur au cours d'une décharge par effluves électriques à basse pression. 3) Procédé suivant la revendication 2, caracté- risé par le fait qu'on utilise un réacteur à plaques et que la pression du gaz est réglée dans une plage allant de 50 à 300 mTorr. 4) Procédé suivant les revendications 1 à 3 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait que la température de dépôt est réglée dans une plage com- prise entre 100 et 4501C. ) Procédé suivant les revendications 1 à 4 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait que l'é- paisseur de la couche amorphe contenant du silicium et de l'hydrogène est réglée à une valeur comprise entre 1000 et 10 000 Angstr5ms. 6) Procédé suivant les revendications 1 à 5 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait qu'on utilise comme gaz réactionnel du silane (SiH4). 7) Procédé suivant la revendication 6, caracté- risé par le fait que le silane est dilué par des ad- jonctions d'azote et/ou d'ammoniac. 8) Procédé suivant la revendication 7, caracté- risé par le fait que le rapport atomique azote:silicium est égal au maximum à 1,3. 9) Procédé suivant les revendications 1 à 8 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le rapport atomique silicium-hydrogène est réglé dans une plage de valeurs allant de 2 à 10. ) Procédé suivant les revendications 1 à 9 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le recuit est effectué dans une atmosphère d'hydrogène ou de gaz inerte. il) Procédé suivant les revendications 1 à 10 pri- ses dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le recuit est effectué pendant 5 minutes.