Brevet FR2484140A1 — publié le 19811211

La présente invention concerne de façon générale des dispositifs du type MOS (métal/oxyde/semi- conducteur) et, plus particulièrement, des dispositifs du type MOS à électrode de commande ou porte en silicium. Des dispositifs de type MOS à porte en silicium, dans lesquels une couche de silicium polycris- tallin dopé, ou "polysilicium", sert d'électrode de commande, sont largement utilisés dans des circuits intégrés très divers du type MOS, comme des mémoires mortes ou des mémoires vives. La vitesse des dispositifs du type MOS à porte de silicium a jusqu'à présent été limitée,notamment par la résistivité superficielle relati- vement forte du silicium polycristallin, qui est typique- ment de l'ordre de 15 à 40 ohms par carré. Puisque la vitesse de fonctionnement d'un circuit MOS dépend des constantes de temps RC (résistance-capacité) au sein du circuit, le niveau relativement élevé de résistivité superficielle des dispositifs classiques à porte de silicium limite la vitesse de fonctionnement des circuits intégrés qui contiennent ces dispositifs. L'industrie des semiconducteurs admet depuis longtemps l'intérêt qu'il y aurait à diminuer la résis- tivité superficielle des dispositifs MOS à porte de silicium pour en augmenter la vitesse de fonctionnement, mais un moyen pratique, et couronné de succès, pour diminuer la résistivité superficielle, ce qui diminue la constante de temps RC et augmente la vitesse de fonction- nement, n'a pas été obtenu jusqu'à présent. Pour tenter de diminuer la résistivité superficielle de la matière utilisée pour l'électrode de commande ou porte dans des dispositifs MOS, on a envisagé d'utiliser des métaux réfractaires ou des siliciures de métaux réfractaires comme du molybdène, du disiliciure de titane, du disiliciure de tantale, et du disiliciure de molybdène comme matière dans les structures 248414O des portes des circuits intégrés du type MOS. Des rapports sur ces études ont été présentés, par exemple par A.T. Sinha et al.en avril 1980 au Symposium IEEE (Institut des Ingénieurs Electriciens et Electroniciens) sur la physique de la fiabilité dans un mémoire intitulé "Generic MOS Reliability of the High Conductivity TaSi2/n+ Poly-Si Gate Structure"/Fiabilité générale de la structure à haute conductivité TaSi2/n+ porte en silicium polycristallin/ et, à la Réunion Internationale de décembre 1979 de l'IEEE sur les dispositifs électroniques, S.P. Murarka a présenté un mémoire intitulé "Refractory Silicides for Low Resis- tivity Gates and Interconnects" /Siliciures réfractaires pour des portes à faible résistivité et des intercon- nexions7. L'utilisation des matières proposées dans ces rapports dans des dispositifs de type MOS procure une diminution de la résistivité superficielle, en comparai- son de celle d'un silicium polycristallin fortement dopé, mais ces matières sont souvent difficiles à déposer et à attaquer de façon précise et, en introduisant des mécanismes nuisibles supplémentaires, comme des insta- bilités, dans les circuits intégrés MOS dont la structure d'électrode de commande comporte de telles matières, elles provoquent souvent une dégradation des caractéristiques électriques de ces circuits intégrés et dispositifs. L'invention vise donc à proposer un dispositif MOS à électrode de commande ou porte en sili- cium, capable de fonctionner à de plus grandes vitesses que celles possibles jusqu'à présent. L'invention vise également à proposer une structure MOS du type décrit et qui peut être fabriquée sans nécessiter des opérations photolithographiques supplémentaires. L'invention vise en outre à proposer une matière conductrice perfectionnée pour porte, pouvant être formée par des techniques de dépôt et d'attaque, dont les caractéristiques sont connues et comprises des ingénieurs en technologie MOS. L'invention vise de façon générale à proposer une structure MOS présentant les avantages de la technologie classique des portes en silicium tout en assurant une diminution importante de la résistivité superficielle et une augmentation simultanée de la vitesse de fonctionnement de ces dispositifs. Selon l'invention, une couche conductrice d'un métal ou alliage métallique est interposée ou "mise en sandwich" entre deux couches pour former une électrode composite de commande ou de porte d'un dispo- sitif MOS. Lorsque la matière de cette couche intermé- diaire est un métal, le composite ou "sandwich" est chauffé de façon que le métal de la couche intermédiaire réagisse avec les couches sus-jacente et sous-jacente de silicium polycristallin pour former un siliciure du métal. La structure-d'électrode de commande fabriquée de cette façon, dans laquelle un siliciure de métal conduc- teur est interposé entre deux couches de silicium polycristallin, présente une résistivité superficielle nettement réduite. Pour parvenir aux buts précités et à d'au- tres encore, l'invention propose un transistor MOS à électrode de commande au silicium ainsi qu'un procédé pour sa réalisation. Selon ses caractéristiques essentielles, le transistor MOS de l'invention comprend un substrat à la surface duquel sont formées des régions espacées de source et de drain. Entre ces régions s'étend une couche d'oxyde qui enrobe la surface du substrat et qui est surmontée d'une structure d'électrode de commande compre- nant une première couche de silicium polycristallin dopé surmontant la couche d'oxyde, une couche conductrice d'électricité qui surmonte cette première couche de sili- cium polycristallin avec laquelle elle est en contact et une seconde couche de silicium polycristallin qui surmonte la couche conductrice avec laquelle elle est en contact. La couche conductrice est formée d'un siliciure d'un métal chois-i parmi le titane, le tantale, le tungstène, le platine et le molybdène. Pour fabriquer un tel dispositif ou transis- tor MOS, l'invention propose un procédé selon lequel on forme à la surface d'un substrat une mince couche isolante puis l'on dépose sur cette couche isolante une première couche de silicium polycristallin, sur laquelle on dépose une couche, conductrice d'électricité, d'une matière capable de réagir avec du silicium polycristallin par chauffage à une température élevée pour former un siliciure conducteur; on dépose sur cette couche conductrice une seconde couche de silicium polycristallin, puis l'on chauffe cette structure pour provoquer la réaction du silicium polycristallin des première et seconde couches de silicium polycristallin avec la matière de la couche conductrice afin de former un siliciure de la matière de cette couche conductrice. Le procédé consiste encore à oxyder ce substrat pour former une couche épaisse d'oxyde qui entoure la couche conductrice et les première et se- conde couches de silicium polycristallin. Selon une variante, le procédé de l'inven- tion consiste à former sur un substrat en silicium une mince couche d'oxyde, à déposer sur cette couche d'oxyde- une première couche de silicium polycristallin dopé; à déposer sur cette première couche une couche conductrice; à déposer sur la couche conductrice une seconde couche de silicium polycristallin dopé; et à retirer sélecti- vement des parties de la couche d'oxyde, de la couche conductrice et des première et seconde couches de silicium polycristallin,afin de former une structure composite en trois couches de porte ou électrode de com- mande dans laquelle la couche conductrice est interposée entre les première et seconde couches de silicium poly- cristallin. La couche conductrice est formée d'un siliciure de métal. Lorsque cette couche conductrice est formée d'un métal, le procédé comprend l'étape supplémentaire consistant à chauffer la structure de la porte ou électrode de commande dans un milieu ambiant inerte pour provoquer la réaction de ce métal avec le silicium polycristallin des première et seconde couches de silicium polycristallin pour former un siliciure de ce métal. Le procédé comporte également l'étape consis- tant à oxyder le substrat pour former une couche épaisse d'oxyde qui entoure la couche conductrice et les première et seconde couches de silicium polycristallin. Dans les deux formes de réalisation du procédé de l'invention, le métal de la couche conductrice est choisi parmi le titane, le tantale, le tungstène, le platine et le molybdène. Des exemples non limitatifs de l'invention seront maintenant décrits plus en détail en regard du dessin annexé sur lequel la figure l est une coupe d'un dispositif M4OS pendant un stade intermédiaire de sa fabrication selon la présente invention, la figure 2 est une coupe du dispositif MOS de la figure 1 à un stade ultérieur de sa fabrication; et la figure 3 est une coupe du dispositif à un stade ultérieur encore de sa fabrication. La figure 1 montre un dispositif MOS après l'achèvement d'un stade précoce de sa fabrication. On y voit une mince couche isolante 10 (dont l'épaisseur est typiquement de 1000 A) de bioxyde de silicium formée de manière classique sur un substrat 12 en silicium, présentée ici à titre illustratif comme ayant une conduc- tivité du type p. Une couche 14 de silicium polycristallin fortement dopé est déposée sur la mince couche 10 d'oxyde. L'épaisseur de cette couche 14 se situe typiquement entre 2484 4140 O O 500 A et 2500 A et le silicium est typiquement dopé à l'aide d'impuretés du type n comme de l'arsenic ou de l'antimoine. Puis, une mince couche 16, dont l'épaisseur se situe avantageusement entre 500 A et 1500 A, d'un métal tel que le titane, le tantale, le tungstène, le platine ou le molybdène est déposée sur la couche 14 de silicium polycristallin. La matière choisie pour servir de couche 16 est àe préférence un métal ayant la propriété de pouvoir se combiner à des températures élevées avec du silicium polycristallin pour former un siliciure conduc- teur. La matière de la couche 16 peut également être un alliage ou un composé d'un métal, commedu disiliciure de titane, ayant des caractéristiques comparables, mais quine nécessite pas de réaction supplémentaire avec le silicium polycristallin pour former le siliciure du métal. Dans la forme de réalisation de l'invention ici décrite, la matière de la couche 16 est du titane qui peut être déposé sur la couche 14 de silicium polycristallin par évaporation à l'aide d'un faisceau d'électrons. Immxédiatement après le dépôt de la couche 16 en titane, une seconde couche 18 de silicium polycris- tallin, qui peut être dopé à l'aide d'une impureté de type n comme de l'arsenic, de l'antimoine ou du phosphore, est déposée sur la couche 16 de titane, d'une façon classique, jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 2000 A, après quoi une couche 20 de nitrure de silicium de masquage, d'une épaisseur de l'ordre de 1500 A, est déposée sur la couche de silicium polycristallin en appliquant des tech- niques de dépôt à l'aide d'un plasma à des températures inférieures à 5000C. Après le dépôt de la couche 20 de nitrure, une couche de matière de réserve photographique (non repré- sentée) est déposée sur la structure à couches multiples et est ensuite exposée et développée, en utilisant des techniques classiques de photolithographie, pour l'obtention d'un tracé voulu. Puis, en utilisant comme masque la réserve photographique ainsi traitée, on attaque la couche sous-jacente 20 de nitrure de silicium par des techniques classiques d'attaque chimique ou de décapage en présence d'un plasma, et l'on enlève ensuite le reste de la matière de réserve photographique. Puis; en utilisant comme masque la couche traitée de nitrure de silicium, on enlève par attaque les couches sous- jacentes de silicium polycristallin, de titane, de silicium polycristallin et de bioxyde de silicium, une ou-plusieurs à la fois, en utilisant des techniques classiques d'attaque chimique, de décapage en présence d'un plasma ou de traitement par faisceau ionique, en descendant jusqu'au substrat 12 de silicium. La structure obtenue à la suite de ces étapes est représentée sur la figure 1. Lorsqu'on utilise des'techniques de traitement par faisceau ionique, il peut s'avérer souhaitable de soumettre la structure à des températures élevées (pouvant provoquer la formation du siliciure) avant de mettre en oeuvre les opérations de traitement par faisceau ionique. La structure représentée sur la figure 1 est ensuite soumise à une opération de diffusion ou d'implantation dans laquelle la structure à couches mul- tiples de la figure 1 joue le rôle d'un masque pour l'obtention d'une structure d'électrode de commande auto- alignée, avec formation à la surface supérieure du substrat 12 de régions espacées 22 et 24 de source et de drain de type n+, comme représenté sur la figure 2. Pendant, ou avant, cette opération, la structure est typiquement exposée à des températures excédant 7000C dans un milieu ambiant inerte, comme de l'azote sec, pendant un temps suffisant pour permettre au métal de la couche intermédiaire 16, dans ce cas du titane, de réagir avec la matière du silicium polycristallin se trouvant directement au-dessus et audessous de la couche 16 pour former un siliciure du métal, dans ce cas, du disiliciure de titane 26 (figure 3). Si l'on utilise comme matière de départ pour la couche 16 du disiliciure de titane ou un autre disiliciure ou alliage de métal conducteur, il ne se produira pas de réaction supplémentaire importante entre cette matière et les couches de silicium polycristallin, bien que la structure résultante soit comparable du fait qu'elle va comprendre la couche de siliciure conduc- teur recouvrant une couche de silicium polycristallin et recouverte par une couche de silicium polycristallin. Dans l'électrode de commande résultante en "sandwich", la couche 26 de disiliciure de titane est avantageuse du fait qu'elle se comporte de manière semblable à un métal réfractaire, qu'elle est fortement conductrice et s'oxyde à une vitesse comparable au silicium polycristallin. La structure de la figure 2 est ensuite soumise à une opération d'oxydation locale dans laquelle la couche 20 de nitrure de silicium sert de masque. Dans cette opération, là substrat 12 de silicium est oxydé de manière à former une épaisse couche 28 d'oxyde, d'une on épaisseur de l'ordre de 10 000 A,qui s'étend au-dessous de l'électrode composite de commande ou porte conductrice et entoure cette électrode composite. Les parois latérales de la matière composite conductrice sont également oxydées pendant cette opération. La couche 20 de nitrure de silicium est ensuite enlevée, ce qui donne la structure représentée sur la figure 3. Cette structure comprend une électrode composite de commande en trois couches formée des deux couches de silicium polycristallin et de la couche inter- médiaire de disiliciure de titane. De préférence, une diffusion supplémentaire peut être ensuite réalisée dans la surface supérieure (silicium polycristallin) exposée de la couche composite, et une étape d'oxydation supplé- mentaire peut être réalisée sur la surface supérieure de la couche de silicium polycristallin, afin d'obtenir une mince couche d'oxyde (non représentée) assurant l'isole- ment électrique entre la couche de silicium polycristallin et une couche d'interconnexion de métal sus-jacent formée par la suite (et également non représentée)O En variante, une couche d'oxyde semblable, mais plus épaisse, peut être chimiquement déposée afin d'assurer ce rôle d'isole- ment électrique. La structure MOS résultante est ensuite achevée selon des techniques classiques de fabrication. Le dispositif MOS construit selon la présen- te invention, comme décrit dans l'exemple ci-dessus de réalisation, constitue une électrode composite de commande à faible résistivité superficielle qui équivaut sensible- ment, à tous autres égards, à une électrode de commande classique en silicium polycristallin.L'électrode composite de commande selon l'invention comprend une couche fortement conductrice de siliciure de métal interposée en sandwich entre des couches de silicium polycristallin. Cependant, elle diffère du dispositif classique MOS à électrode de commande en silicium du fait qu'elle présente une valeur remarquablement faible de la résistivité superficielle, de l'ordre de 0,5 à 5,0 ohms par carré, en comparaison des structures classiques d'électrode de commande à silicium polycristallin dopé dans lesquelles la résistivité superfi- cielle du silicium polycristallin dopé se situe typique- ment entre 15 et 40 ohms par carré. La diminution de résistivité superficielle obtenue dans le dispositif MOS de la présente invention améliore grandement la vitesse de ce dispositif MOS qui peut ainsi être utilisée très avanta- geusement pour de nombreuses applications de tels dispositifs MOS, comme les mémoires vives, dans lesquelles la vitesse de fonctionnement présente une importance particulière. En outre, l'interface isolant-porte de commande entre la première couche 14 de silicium polycris- tallin et la couche 10 d'oxyde est une interface de silicium polycristallin/SiO2, et tous les contacts réalisés avec la porte ou électrode de commande con- ductrice se feront avec la couche supérieure 18 de silicium polycristallin. Puisque l'ingénieur en technolo- gie MOS connaît bien les caractéristiques de l'interface porte/isolant silicium polycristallin/SiO2 et celles des connexions de l'aluminium avec la couche sus-jacente de silicium polycristallin, le fabricant de dispositifs et transistors MOS peut facilement utiliser la structure d'électrode de commande perfectionnée selon l'invention sans qu'il soit nécessaire d'émettre ou de présenter des considérations supplémentaires. L'invention a été spécifiquement décrite dans le cas d'un exemple dans lequel le titane a servi de matière de départ pour la couche conductrice interposée entre les deux couches de silicium polycristallin. Cependant, on peut également utiliser d'autres métaux et alliages qui répondent aux spécifications énoncées, comme indiqué ci-dessus, pour cette matière. Il va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifica- tions peuvent être apportées au transistor MOS et à son procédé de fabrication, décrits et représentés. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer un dispositif de type métal/oxyde/semiconducteur (MOS), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à former à la surface d'un substrat une mince couche isolante, à déposer sur cette couche une première couche de silicium - polycristallin puis, sur cette première couche, à déposer une couche, conductrice de l'électricité et constituée d'une matière pouvant réagir, par chauffage à une tempé- rature élevée, avec le silicium polycristallin pour former un siliciure conducteur, à déposer sur cette couche conductrice une seconde couche de silicium polycristallin puis à chauffer la structure ainsi obtenue pour provoquer la réaction du silicium polycristallin des première et seconde couches de silicium polycristallin avec la matière de la couche conductrice afin de former un siliciure de la matière de cette couche conductrice. 2. Procédé pour fabriquer un dispositif du type métal/oxyde/semiconducteur (MOS), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à former sur un substrat en silicium une-mince couche d'oxyde, à déposer sur cette couche une première couche de silicium polycris- tallin dopé, à déposer sur cette première couche de silicium une couche conductrice, à déposer sur la couche conductrice une seconde couche de silicium polycristallin dopé, et à enlever sélectivement des parties de cette couche d'oxyde, de la couche conductrice et des première et seconde couches de silicium polycristallin, afin de former une structure composite à trois couches de porte ou électrode de commande dans laquelle la couche conduc- trice est interposée entre les première et seconde couches de silicium polycristallin. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la couche conductrice est formée d'un métal. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire consistant à chauffer la structure d'électrode de commande dans un milieu ambiant inerte pour provoquer la réaction du métal de la couche conductrice avec le silicium polycristallin des.première et seconde couches de'silicium polycristallin afin de former un siliciure de ce métal. 5. Procédé selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce.que le métal de la couche conductrice est choisi parmi le titane, le tantale, le tungstène, le platine et le molybdène. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche conductrice est formée d'un siliciure de métal. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplé- mentaire consistant à oxyder le substrat pour former une couche épaisse d'okyde qui entoure la couche conductrice et les première et seconde couches de silicium polycris- tallin. 8. Dispositif de transistor du type métal-oxyde-semiconducteur (MOS), comprenant un substrat (12), à la surface duquel sont formées des régions espacées (22,24) de source et de drain entre lesquelles s'étend une couche (28) d'oxyde surmontant la surface (12) du substrat, et une structure d'électrode de commande surmontant cette couche (28) d'oxyde, Je dispositif étant caractérisé en ce que la structure de l'électrode de commande comprend une première couche (14) de silicium polycristallin dopé surmontant la couche d'oxyde (28) et qui est surmontée d'une couche (26) électriquement conductrice qui est au contact de la première couche (14) de silicium polycris- tallin, ainsi qu'une seconde couche (18) de silicium polycristallin qui recouvre la couche conductrice (26) avec laquelle elle est en contact. 9. Dispositif de transistor métal-oxyde- semiconducteur (MOS) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche conductrice (26) est formée d'un siliciure d'un métal choisi parmi le titane, le tantale, le tungstène, le platine et le molybdène.