Brevet FR2490401A1 — publié le 19820319

La présente invention se rapporte, d'une manière généra- le, à un procédé de fabrication de circuits intégrés et elle vise plus particulièrement à former sur un substrat de sili- cium une couche épaisse de dioxyde de silicium contiguë à une région adjacente à la surface du substrat. Les circuits intégrés comprennent une série de composants actifs isolés diélectriquement sur un substrat de silicium commun. Lors de la fabrication de tels circuits, les régions actives du substrat en silicium sur lesquelles les composants actifs sont formés sont masquées par une mince couche de dio- xyde de silicium sur laquelle est formée une épaisse couche de nitrure de silicium. L'épaisse couche de nitrure de sili- cium dans laquelle un motif a été formé pour délimiter une partie maintenue sert de masque pour la gravure des parties exposées de la couche de dioxyde de silicium, pour la gravure d'évidements dans le substrat de silicium et pour l'oxydation ultérieure du silicium situé dans les évidements afin de for- mer un oxyde de champ qui assure l'isolement diélectrique. La mince couche de dioxyde de silicium qui recouvre les régions actives du substrat est utilisée pour atténuer le défaut de concordance entre les dilatations thermiques du substrat de silicium et de la couche de masquage en nitrure de silicium au cours du traitement. Au cours de l'étape d'oxydation, le passage d'oxygène latéralement à travers la mince couche d'oxyde provoque la croissance d'oxyde dans les parties extérieures de la surfa- ce de chacune des régions actives et produit des saillies la- térales d'oxyde appelées dans la technique des formations en "bec d'oiseau". La formation en "bec d'oiseau" se produit même lorsque la couche de nitrure de silicium est formée sous une épaisseur suffisante pour s'opposer à son cintrage. La formation en "bec d'oiseau" représente une région de transition de dioxyde de silicium entre le bord d'une région active dont la surface a des dimensions restreintes et le bord de la région d'oxyde de champ. Avec une formation en "bec d'oiseau", une courbure est également produite dans la surface de la région active, Ainsi, la formation en "bec d'oiseau" se traduit non seulement par un déplacement du bord de la région active mais elle provoque é- galement une réduction importante de la surface utilisable du substrat pour la fabrication sur cette surface de composants actifs. Pour la mise en oeuvre du procédé de la présente inven- tion, conformément à l'un de ses modes de réalisation, on uti- lise un substrat de matière semiconductrice d'un type de conductivité donné ayant une surface principale. On forme une première couche mince en nitrure de silicium sur la surface principale. On forme une couche mince en dioxyde de silicium sur la mince couche de nitrure de silicium. On forme un motif dans la troisième couche en nitrure de silicium pour produire une partie maintenue qui recouvre une région active du substrat adjacente à la surface principale de ce dernier et est alignée avec cette région. On utilise la troisième couche dessinée en nitrure de silicium pour former un motif dans la seconde cou- che de dioxyde de silicium afin de former une partie maintenue qui recouvre la région active avec laquelle elle est alignée. On utilise la seconde couche en-dioxyde de silicium pour for- mer un motif dans la première couche de nitrure de silicium afin de produire une partie maintenue qui recouvre la région active avec laquelle elle est alignée, exposant ainsi la sur- face principale du substrat qui est contiguë à la région ac- tive. On grave alors la partie exposée de la surface principa- le du substrat en silicium pour former un évidement contigu à la région active. On chauffe ensuite le substrat dans une at- mosphère oxydante à une température et pendant une durée appro- priées pour provoquer la conversion de la matière semiconduc- trice en silicium en dioxyde de silicium. On enlève alors les parties maintenues des première, seconde et troisième couches qui recouvrent la région active. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue en plan d'un corps composite représentant une portion d'un circuit intégré montrant un substrat en sili- cium sur lequel est formée une unique région active entourée d'une région isolante épaisse de dioxyde de silicium. Fig. 2, une vue en coupe de la portion du substrat de la Fig. 1, faite suivant la ligne 2-2 de cette figure. Fig. 3A à 3D, des vues en coupe de structures qui repré- sentent des étapes successives d'un procédé de fabrication de la structure composite des Fig. 1 et 2 conformément à la pré- sente invention. Sur les Fig. 1 et 2 auxquelles on se référera maintenant, on a représenté un corps composite 10 représentant une portion d'un circuit intégré fabriqué conformément à la présente in- vention. Le corps composite 10 comprend un substrat 11 ayant une surface principale 12 dans laquelle est formée une région ac- tive 13 entourée d'une épaisse couche 14 de dioxyde de sili- cium. Des composants ou dispositifs actifs, tels que des tran- sistors à effet de champ (non représentés), sont formés dans la région active et sont isolés d'autres composants actifs similaires, formés sur le substrat par la couche 14 de dioxy- de de silicium. On décrira maintenant en se référant aux Fig. 3A à 3D un procédé de fabrication de la structure des Fig. 1 et 2 confor- mément à la présente invention. Les éléments des Fig. 3A à 3D qui sont identiques aux éléments des Fig. 1 et 2 ont été dési- gnés par les mêmes références. On utilise un substrat 11 de matière semiconductrice en silicium ayant une résistivité de ohms.cm et une conductivité du type N ayant une surface principale 12 parallèle à un plan cristallographique (100) du substrat. On forme sur la surface principale 12 une première couche 15 en nitrure de silicium ayant une épaisseur de 100 A environ en utilisant des techniques bien connues des spécia- listes, telles que, par exemple, le dépôt chimique en phase vapeur, comme représenté sur la Fig. 3A. Suivant ce procédé, on utilise des vapeurs de silane et d'ammoniac dans le rapport de 1 à 200 en volume dans un courant d'hydrogène comme gaz vecteur, à une température de 1009C pendant une période de temps de 60 secondes pour former une couche de nitrure de si- lidium ayant une épaisseur d'environ 100 A. Après refroidisse- ment à environ 250C, on forme une seconde couche 16 en dioxyde de silicium ayant une épaisseur d'environ 300 A sur la mince couche de nitrure de silicium, par dépôt chimique en phase va- peur, par exemple en utilisant du silane et du protoxyde d'a- zote dans un courant d'hydrogène comme gaz vecteur à une tem- pérature d'environ 1000OC pendant une durée d'environ 3 minu- tes. Après refroidissement à environ 250C, on dépose une troi- sième couche en nitrure de silicium sur la surface de la se- conde couche en dioxyde de silicium, par dépôt chimique en phase vapeur. Selon ce procédé, on utilise des vapeurs de si- lane et d'ammoniac dans un rapport de 1 à 200 en volume à une température de 1000C et pendant une période de temps de 10 mi- nutes pour former une couche de nitrure de silicium ayant une épaisseur d'environ 1000 A. On forme ensuite un vmotif dans la couche de nitrure de silicium en utilisant des techniques de masquage photolithographique et de gravure au plasma bien connues des spécialistes pour former une partie maintenue 19 qui recouvre la région active 13 du substrat et est alignée avec elle. La largeur de-la région active 13 peut être aussi petite qu'un micromètre environ. On applique une laque photo- sensible appropriée, telle qu'une laque d'azoture AZ 1470 que l'on peut obtenir de la société Shipley Co., Newtion, Mass., Etats Unis d'Amérique, sur la troisième couche en nitrure de silicium. Après exposition et développement de la laque photo- sensible pour former une partie maintenue 18 de cette laque, on grave au plasma les parties exposées de la couche de nitru- re de silicium qui ne sont pas protégées par la laque photo- sensible, en utilisant du tétrafluorure de carbone avec 4 % d'oxygène, pour former la partie maintenue 19 de la couche 17 de nitrure de silicium. Ensuite, on grave la seconde couche mince 16 en nitrure de silicium, qui n'est pas masquée par la partie maintenue du nitrure de silicium, dans de l'acide fluo- rhydrique tamponné pour former une partie maintenue 20 alignée avec la région active 13. Ensuite, on grave la première couche en nitrure de silicium non masquée par la partie maintenue 16 de la seconde couche en dioxyde de silicium, en utilisant la technique de gravure au plasma décrite ci-dessus en se ré- férant à la gravure de la troisième couche en nitrure de sili- cium, pour former une partie maintenue 21 alignée avec la ré- gion active 13 et exposant la surface 12 du substrat 11. On grave ensuite au plasma la partie de surface du substrat située au-dessous des parties non masquées par la mince couche de ni- trure de silicium, anisotropiquement avec des vapeurs de té- trachlorure de carbone jusqu'à une profondeur prédéterminée, comme représenté sur la Fig. 3B. On choisit la profondeur de gravure du substrat en silicium de telle sorte que la crois- sance ultérieure de dioxyde de silicium dans les évidements ou parties gravées du substrat soit suffisamment épaisse pour former une surface de dioxyde approximativement coplanaire avec la surface de la région active. Pour satisfaire à une telle condition, la profondeur de gravure est fixée à appro- ximativement 57 % de l'épaisseur résultante de l'épaisse cou- che 14 de dioxyde de silicium. Après enlèvement de la laque photosensible dessinée 18 au moyen d'un décapant approprié at- taquant la laque, on chauffe le substrat dans une atmosphère oxydante à une température et pendant une durée appropriées pour provoquer la conversion du silicium qui entoure la ré- gion active, c'est-à-dire celui situé dans les parties gravées, en une épaisse couche 14 de dioxyde de silicium approximative- ment coplanaire avec la surface de la région active 13, comme représenté sur la Fig. 3C. Ensuite, on enlève la partie main- tenue 19 de la troisième couche en nitrure de silicium, la partie maintenue sous-jacente 20 de la seconde couche en dio- xyde de silicium et la partie maintenue sous-jacente 21 de la première couche en nitrure de silicium en utilisant des solu- tions d'attaque appropriées, telles que de l'acide phosphori- que chaud pour le nitrure de silicium et telles que de l'acide fluorhydrique tamponné pour le dioxyde de silicium de façon à former la structure résultante représentée sur la Fig. 3D. Les avantages particuliers de la structure résident en ce que la partie de surface de la région active 13 conserve sa position et ses dimensions sur la surface principale du substrat essen- tiellement telles qu'elles lui ont été attribuées avant le traitement du substrat avec une réduction minimale de ces di- mensions résultant du traitement du substrat pour former la couche isolante diélectrique 14, conformément à la présente invention. La réduction au minimum de la formation en "bec d'oiseau" permet également de maintenir la planéité de la ré- gion de surface. A ce stade du procédé, on peut facilement former dans les régions actives des dispositifs ou composants actifs, tels que des transistors à effet de champ, en utili- sant à cette fin des procédés bien connus des spécialistes de la technique. On décrira maintenant la manière suivante laquelle on obtient les avantages de la structure résultante. Suivant l'une des techniques classiques, comme mentionné ci-dessus, on utili- se une structure de masquage à deux couches comportant une é- paisse couche de nitrure de silicium qui recouvre une mince couche de dioxyde de silicium pour masquer la région active du substrat en silicium pendant l'oxydation de champ. On don- ne à la couche de nitrure de silicium une épaisseur suffisante pour réduire son cintrage pendant l'oxydation du champ. On don- ne à la couche de dioxyde de silicium une épaisseur juste né- cessaire pour compenser la différence entre la dilatation du substrat de silicium et celle de la couche de nitrure de sili- cium afin d'éviter la création de contraintes excessives dans le silicium et éviter la création de dislocations excessives dans le silicium et sa fissuration finale. Bien que la struc- ture à deux couches ci-dessus décrite réduise les dimensions de la formation en bec d'oiseau, il se produit une réduction importante des dimensions de la région active de la surface principale du substrat et la création d'une courbure de cette région du fait qu'au cours de l'oxydation du substrat de Ei- licium pour former l'oxyde de champ, de l'oxygène passe à tra- vers la couche de masquage en dioxyde de silicium jusqu'à la région active et forme du dioxyde de silicium avec le sili- cium qui se trouve dans les parties périphériques de la ré- gion active, contribuant ainsi à la réalisation de la forma- tion en "bec d'oiseau". Selon la présente invention, les ca- ractéristiques avantageuses de la structure de masquage à deux couches sont conservées tandis que la caractéristique indésirable ci-dessus mentionnée est supprimée. On obtient ce résultat en utilisant une structure de masquage à trois couches. Une première couche mince en nitrure de silicium, ayant, par exemple, une épaisseur d'environ 100 A recouvre directement la région active de la surface du substrat de silicium, région avec laquelle elle est en contact. Une se- conde couche mince en dioxyde de silicium, ayant une épaisseur d'environ 300 A, recouvre la première couche mince en nitrure de silicium. Une troisième couche mince-en nitrure de silicium ayant une épaisseur d'environ 800 A recouvre la seconde couche mince en dioxyde de silicium. La première couche mince en ni- trure de silicium constitue un excellent masque vis-à-vis de l'oxygène, empêchant le passage de l'oxygène qui se déplace latéralement à travers la seconde couche mince en dioxyde de silicium, supprimant ainsi cette source d'oxygène qui contri- bue à la réalisation des formations en "bec d'oiseau". Bien que la dilatation différentielle de la première couche mince en nitrure de silicium et du substrat en silicium crée des contraintes à l'interface, ces contraintes sont soulagées par la déformation structurale de la mince couche en nitrure de silicium avant qu'elles atteignent une grandeur qui causerait des dommages inacceptables à la surface de la région active du substrat. La troisième couche épaisse en nitrure de silicium remplit sa fonction habituelle qui est de former une barrière empêchant le passage de l'oxygène pendant la croissance de l'oxyde de champ et forme par conséquent un masque qui empêche l'oxydation normale du substrat dans la région active. Compte- tenu du fait que la formation de dioxyde de silicium dans les parties périphériques de la région active est réduite,- il n'est exercé qu'une force de cintrage plus faible sur la troi- sième couche épaisse en nitrure de silicium, et, par conséquent, on peut réduire l'épaisseur de cette couche par rapport à celle qui serait sinon nécessaire. La seconde couche mince en dioxy- de de silicium remplit sa fonction voulue qui est de compenser le défaut de concordance entre la surface du substrat en sili- cium et la couche épaisse en nitrure de silicium. Une gamme appropriée en ce qui concerne l'épaisseur de la première couche O o est de 100 A environ à 150 A environ. Une gamme appropriée en ce qui concerne l'épaisseur de la seconde couche est de 200 A dnviron à 400 A environ. Une gamme appropriée en ce qui concer- ne l'épaisseur de la troisième couche est de 800 A environ à on 500 A environ. Bien que, dans le mode de réalisation décrit, on grave le substrat en silicium, non masqué par les parties maintenues 19, 20 et 21 respectivement de.1A première couche de nitrure de silicium, de la seconde couche en dioxyde de silicium et de la troisième couche en nitrure de silicium, avant l'oxyda- tion du substrat qui sert à former l'épaisse couche de dioxy- de de silicium, on pourrait, le cas échéant, supprimer cette étape ce qui aurait pour résultat que la surface de la région active et la surface extérieure de l'oxyde épais seraient moins planes. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procédé pour former dans un substrat (11) de matière semiconductrice en silicium ayant une surface principale (12) une épaisse couche de dioxyde de silicium (14) contiguë à une région (13) de ce substrat adjacente à la surface principale, caractérisé en ce qu'il consiste: à obtenir le substrat (11) de matière semiconductrice en silicium ayant une surface principale (12); à former une première couche mince (15) en nitrure de silicium sur la surface principale (12); à former une seconde couche mince (16) en dioxyde de si- licium sur la couche de nitrure de silicium; à former une troisième couche épaisse (17) en nitrure de silicium sur la seconde couche en dioxyde de silicium; à former un motif dans la troisième couche en nitrure de silicium pour produire une partie maintenue (19) qui re- couvre la région (13) de la surface principale et est alignée avec elle; à former un dessin dans la seconde couche en dioxyde de silicium pour produire une pprtie maintenue (20) qui recouvre la région de la surface principale et est alignée avec elle; à former un dessin dans la première couche de nitrure de silicium pour produire une partie maintenue (21) qui recouvre ladite région de la surface principale et est alignée avec elle; et à chauffer le substrat dans une atmosphère oxydante à une température et pendant une période de temps appropriées pour provoquer la conversion de la matière semiconductrice en silicium contiguë à ladite région en dioxyde de silicium. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche (15) a une épaisseur comprise entre O O environ 100 A et environ 150 A, la seconde couche (16) a une Q O épaisseur comprise entre environ 200 A et environ 400 A et la troisième couche (17) a une épaisseur comprise entre environ 800 A et environ 1500 A. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on grave la partie du substrat (11) en silicium exposée par le motif de la première couche (15) en nitrure de silicium jusqu'à une première profondeur pour y former un évidement contigu à la région (13) avant le chauf- fage du substrat dans une atmosphère oxydante. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on enlève les parties maintenues (19, 20, 21) des première, seconde et troisième couches qui recouvrent la région. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première profondeur précitée est égale à environ 57 % de l'épaisseur de l'épaisse couche (14) de dioxyde de silicium.