Brevet FR2490402A1 — 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 en 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 compo- sants actifs isolés diélectriquement sur un substrat commun en silicium. Lors de la fabrication de tels circuits, les ré- gions actives du substrat sur lesquelles les composants actifs sont formés sont masquées par une mince couche de dioxyde de silicium sur laquelle est formée une épaisse couche de nitru- re de silicium. La couche de nitrure de silicium sert de mas- que pour la gravure des parties exposées de la couche de dio- xyde de silicium et également pour la gravure d'évidements dans le substrat de silicium et pour l'oxydation ultérieure du silicium situé dans les évidements afin de former 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 la- téralement à travers la mince couche d'oxyde provoque la croissance d'oxyde dans les parties extérieures de la surface de chacune des régions actives et produit des saillies latéra- les d'oxyde appelées des formations en "bec d'oiseau". Les formations en "bec d'oiseau" provoquent le déplace- ment des bords de l'oxyde de champ, modifiant les régions préalablement choisies ou affectées en tant que régions acti- ves et elles produisent également une courbure dans les par- ties extérieures des régions actives, réduisant ainsi les parties de ces régions qui sont utilisables. Pour la mise en oeuvre du procédé de la présente inven- tion selon un de ses modes de réalisation, on utilise un sub- strat de matière semiconductrice en silicium ayant une surface principale. un formile unl6 miince couche de aioxyae de silicium sur la surrace principale uu subStrdt. On forme une couche épaisse de nitrure de silicium sur la couche de dioxyde de silicium. On forme un ftifdans la couche de nitrure de silicium pour produire une partie maintenue qui recouvre une région adjacente à la surface du substrat avec laquelle elle est alignée. On appli- que une dose d'ions choisis dans le groupe constitué par l'é- tain, le phosphore et l'antimoine au substrat à travers la partie de la surface principale de ce dernier non masquée par la partie maintenue de la couche de nitrure de silicium. Une énergie suffisante est communiquée aux ions pour qu'ils pénè- trent dans le substrat à une première distance moyenne au- dessous de la surface principale. La dose est également choi- sie suffisamment importante pour accroître fortement l'oxyda- tion de la matière semiconductrice en silicium dans laquelle les ions ont été implantés par rapport à celle de la matière semiconductrice en silicium dans laquelle les ions n'ont pas été implantés. On chauffe ensuite le substrat dans une atmos- phère oxydante à une température et pendant une période de temps appropriées pour provoquer la conversion du semiconduc- teur en silicium dans lequel les ions ont été implantés en dioxyde de silicium. La suite de la description se réfère aux figures anne- xées qui représentent respectivement: Fig. 1, une vue en plan d'un corps composite représen- tant une portion d'un circuit intégré montrant un substrat en silicium sur lequel est formée une unique région active entou- rée d'une région isolante de dioxyde de silicium épais; Fig. 2, une vue en coupe d'une portion du substrat de la figure 1, faite suivant la ligne 2-2 de cette figure; Fig. 3A à 3E, des vues en coupe de structures qui repré- sentent des étapes successives d'un procédé de fabrication de la structure composite de la Fig. 1 conformément à la présen- te 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 comprend un substrat 11 ayant une surface principale dans laquelle est formée une région active 13 entourée d'une épaisse couche diélectriquement isolante 19 en dioxyde de silicium. Des composants ou dispositifs actifs, tels que des transistors à effet de champ (non représentés), sont formés dans la région active et sont isolés d'autres com- posants actifs similaires formés sur le substrat par l'épais- se couche isolante 19 de dioxyde de silicium, appelée oxyde de champ. On décrira maintenant en se référant aux Fig. 3A à 3E un procédé de fabrication de la structure des Fig. 1 et 2 confor- mément à la présente invention. Les éléments des Fig. 3A à 3E qui sont identiques aux éléments des Fig. 1 et 2 ont été dési- gnés par les mêmes références. On utilise un substrat il 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 du substrat. On forme une mince couche 15 de dioxyde de silicium ayant une épaisseur d'environ 300 A sur la surface principale 12 en utilisant des techniques bien connues des spécialistes, comme représenté sur la Fig. 3A. Par exemple, on expose le substrat en silicium à une atmosphère d'oxygène à la pression atmosphérique et à une température d'environ 1000'C pendant une période de 30 minutes. Ensuite, on dépose une épaisse cou- che de nitrure de silicium sur la surface de la mince couche de dioxyde de silicium en utilisant des techniques bien con- nues des spécialistes telles que le défIît en phase vapeur chimique. Suivant ce procédé, on utilise des vapeurs de silane et d'am- moniac dans un rapport de 1 à 200 en volume dans un courant d'hydrogène porteur à une température de 1000'C et pendant une période de plusieurs minutes pour former une couche de ni- trure de silicium ayant une épaisseur d'environ 1500 A. On forme ensuite un dessin dans la couche de nitrure de silicium en utilisant les techniques de masquage photolithographique et de gravure au plasma bien connues des spécialistes pour former une partie maintenue 16 qui recouvre la région active 13 du substrat avec laquelle elle est alignée. La largeur de la ré- gion active 13 peut être aussi petite qu'environ 1 micromètre. On applique une laque photosensible telle qu'une laque d'azotu- re "AZ 1470" que l'on peut obtenir de la société Shipley Co; Newton, Mass. , Etats Unis d'Amérique, sur la couche de nitrure de silicium. Après exposition et développement de la laque photosensible pour former une partie maintenue de cette der- nière, on grave au plasma les parties exposées du nitrure de silicium qui ne sont pas protégées par la laque, en utilisant du tétrafluorure de carbone avec 4 % d'oxygène, pour former la partie maintenue 16 de la couche de nitrure de silicium. Ensuite, on applique une première dose d'ions d'étain au sub- strat 11 à travers la surface principale 12. On fixe l'éner- gie des ions à un niveau suffisamment élevé pour qu'ils tra- versent la mince couche de dioxyde de silicium et pénètrent dans le substrat jusqu'à une première distance moyenne 18 au- dessous de la surface principale, distance jusqu'à laquelle le silicium sera oxydé,:comme on l'expliquera ci-dessus. Pour assurer une pénétration à travers une couche d'oxyde de 300 A d'épaisseur jusqu'à une distance moyenne de 3.000 A dans le substrat on utilise une énergie de 860 ReV pour les ions d'é- tain. La partie maintenue 16 de la couche de nitrure de sili- cium et la couche de laque photosensible gravée suivant un dessin-sont suffisamment épaisses pour empêcher la pénétra- tion des ions d'étain ayant l'énergie indiquée et, par consé- quent, la surface du substrat située au-dessous de la partie maintenue de nitrure de silicium ne reçoit aucune partie de - la dose d'ions implantés. Une densité de flux ionique appro- priée est appliquée pendant une durée suffisante pour fournir une dose suffisante pour accroître de manière importante la vitesse d'oxydation de la matière semiconductrice en silicium dans laquelle l'impureté a été implantée. Une dose appropriée est d'environ 5 x 1014 ions par centimètre carré ou plus. On a trouvé que pour des doses inférieures à environ 5 x 1014 ions par centimètre carré, la vitesse d'oxydation n'est pas notablement modifiée par l'implantation. On renverra à ce su- jet au mémoire intitulé "Enhanced Oxidation of Silicon by Ion Implantation and its Novel Applications" (Accroissement de l'o- xydation du silicium par implantation ionique et ses nouvelles applications) de K. Nomura et Y. -. irose publié dans le "Compte- rendu de la quatÈième conférence internationale sur l'implan- tation ionique dans les semiconducteurs" tenue à Osaka, Japon, en août 1974 et publié par Plenum Press-New York, pages 681 à 688. On chauffe ensuite le substrat dans une atmosphère oxy- dante à une température et pendant une durée appropriées pour provoquer l'oxydation de la matière semiconductrice en sili- cium qui entoure la région active et a été implantée d'ions d'étain en une épaisse couche 19 de dioxyde de silicium. Etant donné que l'implantation d'étain accroît la vitesse à laquelle le silicium dans lequel il est implanté, s'oxyde, l'oxydation s'effectue dans la direction verticale à une vitesse nettement plus grande que celle de l'oxydation qui s'effectue dans la direction latérale. Par conséquent, l'oxydation latérale est fortement réduite. La Fig. 3D représente la structure résul- tante qui présente une réduction importante de l'oxydation la- térale. Dans le cas d'ions d'étain implantés à une distance moyenne de 3000 A, la vitesse d'oxydation accrue se produit à peu près jusqu'à cette profondeur de sorte qu'il est formé une couche de dioxyde de silicium ayant une épaisseur d'environ o 6000 A. On peut obtenir du dioxyde de silicium ayant une telle épaisseur en exposant le substrat à de la vapeur d'eau à la pression atmosphérique et à une température de 10000C pendant environ 15 minutes. Lorsque la couche de dioxyde de silicium devient épaisse, le transport jusqu'à la surface du silicium à travers la surface d'oxyde épais peut devenir le facteur domi- nant dans le processus d'oxydation. Pour réduire au minimum l'effet de l'épaisseur de l'oxyde et pour maintenir l'oxyda- tion qui se produit à l'interface silicium/dioxyde de sili- cium en tant que processus dominant, l'oxygène peut être four- ni sous une forte pression. Ensuite, on enlève la partie maintenue de la couche de nitrure de silicium et la partie maintenue sous-jacente de la couche de dioxyde de silicium en utilisant une solution d'at- taque appropriée, telle que de l'acide fluorhydrique tamponné, comme représenté sur la Fig. 3E. A ce point du processus, on peut facilement former des dispositifs ou composants, tels que des transistors à effet de champ dans les régions actives du substrat ainsi produit. Bien que, dans l'exemple décrit ci-dessus, on ait utilisé une couche d'oxyde de silicium de 300 A d'épaisseur et une couche de nitrure de silicium de 1500 A d'épaisseur, on pour- rait naturellement utiliser d'autres épaisseurs. L'épaisseur du dioxyde de silicium pourrait être comprise entre environ A et environ 700 A et l'épaisseur du nitrure de silicium o O pourrait être comprise entre environ 1000 A et environ 2000 A. Dans le processus décrit ci-dessus, si l'on désire im- planter des ions dans le substrat situé au-dessous de l'épais- se couche d'oxyde de champ pour accroître les seuils de champs, une telle implantation peut être effectuée après l'implanta- tion des ions d'étain mais avant le chauffage du substrat ef- fectué pour former l'épaisse couche de dioxyde de silicium. L'implantation doit être effectuée à une distance moyenne su- périeure à la distance moyenne d'implantation d'étain ou à la distance à laquelle l'oxydation du silicium sera effectuée. Si le substrat a une conductivité du type N, l'ion utilisé pour l'implantation de champ peut être du phosphore ou de l'antimoine. Si le substrat a une conductivité du type P, l'ion utilisé pour l'implantation'de champ peut être du bore. Un niveau d'implantation approprié pour accroître les seuils de champ est d'environ 2 x 1012 ions par centimètre carré. Bien que l'étain soit une espèce d'ions d'implantation particulièrement appropriée du fait qu'il est neutre en ce qui concerne la communication d'un type de conductivité au silicium, d'autres espèces telles que le phosphore et l'anti- moine peuvent être utilisées avec des substrats ayant une conductivité du type N. Lorsque de telles espèces sont implan- tées dans des substrats ayant une conductivité du type N, avec les doses indiquées, c'est-à-dire supérieures à environ 5 x loî4 ions par centimètre carré, il peut ne pas être nécessaire diu- tiliser une implantation de champ étant donné que pendant l'o- xydation du silicium dans lequel des ions de ces espèces ont été implantés, les ions ont tendance à se concentrer dans le silicium non oxydé. Pour réaliser une structure dans laquelle la surface exté- rieure de l'épaisse couche 19 d'oxyde et les régions actives se trouvent plus proches d'un plan commun, on peut graver le sub- strat de silicium non protégé par la couche 16 gravée suivant un dessin de nitrure de silicium à la profondeur voulue avant l'implantation d'ions favorisant l'oxydation. 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 (19) de dioxyde de silicium contiguë à une région (13) dudit 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 mince couche (15) de dioxyde de silicium sur la surface principale; à former une épaisse couche (16) de nitrure de silicium sur la couche de dioxyde de silicium; à former un dessin dans la couche de nitrure de silicium pour produire une partie maintenue qui recouvre ladite région (13) du substrat et est alignée avec elle.; à appliquer une dose d'ions choisis dans le groupe cons- titué par l'étain, le phosphore et l'antimoine au substrat à - travers la partie de la surface principale qui n'est pas mas- quée par la partie maintenue de la couche de nitrure de sili- cium, l'énergie des ions étant suffisante pour qu'ils pénètrent dans le substrat jusqu'à une première distance moyenne au- dessous de la surface principale, cette dose étant suffisam- ment grande pour accroître de manière importante la vitesse d'oxydation de la matière semiconductrice dans laquelle ces ions ont été implantés; et à chauffer le substrat dans une atmosphère oxydante à une température. et pendant une durée appropriées pour provo- quer la conversion de la matière semiconductrice en silicium dans laquelle ces ions ont été implantés en dioxyde de silicium. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dose précitée est supérieure à environ 5 x 104 ions.cm 2 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on forme un dessin dans la mince couche (15) de dioxyde de silicium pour produire une partie maintenue qui recouvre la région (13) du substrat et est ali- gnée avec elle. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière semiconductrice en sili- cium est convertie en dioxyde de silicium sur une profondeur égale à ladite première distance. - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on enlève les parties maintenues de la couche (16) de ni- trure de silicium et de la couche (15) de dioxyde de silicium qui recouvrent la région active. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions sont des ions d'-étain.- 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions sont des ions de phosphore. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions sont des ions d'antimoine. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le substrat (11) de matière semi- conductrice en silicium a une conductivité du type N. - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mince couche (15) de dioxyde de silicium a une épais- seur comprise entre environ 200 A et environ 700 A et en ce que ladite couche épaisse (16) de nitrure de silicium a une 0 0 épaisseur comprise entre environ 1000 A et environ 2000 A.