Brevet FR2500214A1 — publié le 19820820

La présente invention se rapporte à un procédé pour faire croître un oxyde sur un substrat en silicium au cours de la fabrication de dispositifs à semiconducteur. En outre, la présente invention a trait à un procédé perfectionné grà- ce auquel on peut faire croître un oxyde extrêmement mince qui présente des fréquences de défauts extrêmement faibles. Les procédés de la technique antérieure utilisés pour faire croître un oxyde sur du siliciumxsont Lien connus. On renverra par exemple à l'ouvrage "Physics and Technology of Semiconductor Devices"(Physique et technologie des dispo- sitifs à semiconducteur) de A.S. Grove, publié en 1967 par John Wiley and Sons, Inc., et à l'article "N-Channel Ion Implanted Enhancement/Depletion FET Circuit and Fabrication Technology (Technologie des circuits et de la fabrication des transistors à effet de champ à enrichissement/appauvris- sement formés par implantation ionique à canal N)IEEE JSSC, Juin 1973, page 226. Des régions d'oxyde relativement épais sont requi- ses pour la plupart des objectifs d'isolement électrique. Ce- pendant, dans les dispositifs métal-oxyde-silicium (MOS) le diélectrique isolant ou isolant qui sera dit dans la suite "oxyde de porte", qu'isole la porte ou grille de la source, du drain et du canal, doit être relativement mince. Par exemple, une vue en coupe d' un transistor MOS typique a été représentée sur la Fig. 1. Une source 42 et un drain 43 sont formés à l'intérieur d'un substrat 41. Une ré- gion 44 d'oxyde de porte est formée sur la surface 70 du sub- strat 41 et sert à isoler la région de grille 45 du substrat 41, de la source 42 et du drain 43. La région 44 d'oxyde de porte doit être suffisamment mince pour permettre au poten- tiel électrique appliqué à la grille 45 d'influencer les por- teurs de charge contenus dans le substrat 41, formant ainsi un canal 48. Les dispositifs MOS de la technique antérieure nécessitent généralement l'emploi d' oxydes de porte avant une dpa: seur d'approximativement 500 angstroms. Les technologies des dispositifs MOS plus modernes nécessitent l'emploi d'un oxy- de de porte extrêmement mince d'une épaisseur de 100 à 200 angstroms environ. Bien que les techniques utilisées dans l'art antérieur pour faire croître l'oxyde puissent être em- ployées pour faire croître un oxyde de porte extrêmement mince ayant une épaisseur comprise dans l'intervalle de 100 à 200 angstroms environ, les techniques classiques utilisées pour former un oxyde sur du silicium se traduisent par des fréquences de défauts relativement élevées. Dans l'exemple de la figure 2 à laquelle on se référera, une région d'oxyde 12 a été formée sur un substrat 1lien silicium en utilisant les techniques bien connues de l'art antérieur. Cependant, des défauts 13 et 14 (qui sont respectivement une piqGre ou trou dans l'oxyde et une dépression dans l'oxyde) sont couramment -formés dans la couche d'oxyde 12 lorsque la couche d'oxyde 12 est formée par les techniques classiques. Les contaminants qui se trouvent sur la surface de la tranche 11 avant l'oxyda- tion peuvent former un masque effectif empêchant ainsi la croissance de l'oxyde au-dessous du contaminant. Si une région de grille est formée au-dessus du défaut 13, la région de gril- le est court-circuitée au substrat il par suite de l'absence d'oxyde 12 dans la pigqre 13. De même, si une région de grille est formée au-dessus du défaut d'oxyde 14, l'oxyde de porte extrêmement mince du défaut 14 peut se rompre lorsqu'une ten- sion de fonctionnement de grille normale est appliquée à la région de grille formant ainsi un court-circuit entre la ré- gion de grille et le substrat Il et produisant une panne élec- trique consécutive du dispositif. Des procédés de nettoyage de la surface du substrat sont utilisés pour réduire ces pro- blèmes provoqués par les contaminants lors de la formation d'oxydes de porte épais mais les procédés de nettoyage ne sont pas d'une efficacité suffisante lorsqu' on forme de très minces oxydes de porte. Pour ces raisons, les techniques classiques de formation d'oxyde sur la surface d'une tranche de silicium sont relativement inefficaces lorsqu'elles sont utilisées pour former des couches d'o4ydes extrêmement minces ayant des épaisseurs comprises dans l'intervalle d'approxima- tivement 100 à 200 angstroms ou moins. L'emploi d'une matière isolante autre que le dioxyde de silicium telle que le nitrure de silicium, est également relativement inefficace pour former des régions d'isolement extrêmement minces ayant une épaisseur comprise à l'intérieur de l'intervalle de 100 à 200 angstroms ou moins, pour les mômes raisons. Les contaminants qui se trouvent sur une surface d'une tranche servent de masque effectif qui em- pèche le dépôt ou la croissance du nitrure de silicium. Ainsi, les couches de nitrure de silicium extrêmement minces présen- tent également une fréquence de défauts relativement élevée, ce qui se traduit par un faible rendement en dispositifs. En outre, le nitrure de silicium est beaucoup plus conducteur que le dioxyde de silicium et le nitrure de silicium contient de fortes densités de pièges ce qui conduit à 1' instabilité des dispositifs MOS. Bien qu'il soit connu que le nitrure de silicium peut être oxydé en dioxyde de silicium, les emplois dans l'art antérieur du nitrure de silicium sont limités à la formation de couches de masquage et de couches d'isolement électrique comme décrit, par exemple, par Seeds et autres dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 3 913 211 et par Appels et autres dans l'article "Local Oxydation of Silicon and its Applications in Semiconductor Device Technology" (Oxydation locale du sili- cium et ses applications dans la technologie des dispositifs à semiconducteurs) Phillips Research Reports, Vol. 25, 1970, pages 119-132. Appels décrit un procédé d'utilisation d'une couche de nitrure de silicium comme masque de porte permettant la formation d'une mince couche d'oxyde au-dessus des régions de source et de drain. Appels indique ensuite que cette cou- che de nitrure de silicium peut alors être utilisée en tant qu'isolateur de grille ou peut être remplacée par une autre pellicule d'isolement. Il est important de noter qu'Appels ne suggère pas que cet isolement de grille en nitrure de si- licium peut être oxydé directement afin de former une couche d'isolement de grille en dioxyde de silicium ayant une très faible fréquence de défauts. La présente invention utilise une nouvelle techni- que pour former des couches extrêmement minces de dioxyde de silicium. En premier lieu, une couche extrêmement mince de nitrure de silicium est formée sur le silicium. Ce nitrure de silicium est ensuite oxydé au cours d'un processus qui est, par inhérence, extrêmement lent, formant ainsi une cou- che extrêmement mince de dioxyde de silicium. Du fait que cette couche de dioxyde de silicium est formée en une très longue période de temps, les effets de masquage des produits de contamination sont fortement réduits de sorte qu'on obtient une couche extrêmement mince de dioxyde de silicium ayant de très faibles fréquences de défauts. D'autres caractéristiques de l'invention apparal- tront à la lecture de la description qui va suivre et à l'exa- men du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe d'un transis- tor MOS typique de l'art antérieur; - la figure 2 est une vue en coupe d'une couche d'oxyde formée de façon classique sur un substrat de silicium, cette vue montrant des défauts de l'oxyde; et - les figures 3a à 3c représentent des vues en coupe d'une tranche de silicium à diverses étapes de fabrica- tion conformément au procédé de la présente invention. On nettoie tout d'abord une surface de silicium sur laquelle on doit faire croître du dioxyde de silicium con- formément à la présente invention en utilisant un procédé courant de la technique connue. Un de ces procédés qui est couramment utilisé dans l'industrie des semiconducteurs con- siste à soumettre la surface de silicium à une solution liqui- de contenant approximativement 50 % d'acide sulfurique et 50% d'eau oxygénée pendant dix minutes à 90 50C. On rince ensuite la tranche pendant 10 à 20 minutes dans de l'eau désionisee et on la sèche par centrifugation d'une manière classique. On peut utiliser tout autre procédé approprié de nettoyage de la surface de silicium pour la mise en oeuvre de la présente in- vention. On utilise cette étape de nettoyage du silicium en vue de tenter d'éliminer les contaminants de la surface du silicium sur laquelle on doit faire croître de l'oxyde. La tranche 21 de silicium à ce stade est repré- sentée vue en coupe sur la figure 3a. Une couche extrêmement mince de nitrure de silicium est alors formée sur la tranche 21 de silicium d'une manière classique, comme représenté sur la figure 3b. On fait croître ou on dépose la couche 22 de ni- trure de silicium en utilisant des techniques bien connues. Du fait qu'on a formé cette mince couche de nitrure de silicium en utilisant des techniques classiques, des défauts 23 et 24 du nitrure de silicium d'un type qui se produit typiquement dans une telle couche de nitrure de silicium sont représentés sur la figure 3b. L'apparition des défauts 23 et 24 du nitru- re sera relativement fréquente comme précédemment décrit. Des procédés appropriés pour former des couches de nitrure de sili- cium qui conviennent pour être utilisés dans la présente inven- tion sont décrits dans les articles "Silicon Nitride Chemical Vapor Deposition on a Hot-Wall Diffusion System" vapeur chimique de nitrure de silicium sur un système de diffu- sion à paroi chaude) de Ginsburgh et autres, Journal of the Electrochemical Society Solid State Science and Technology, Septembre 1978, page 155; "Very Thin Silicon Nitride Films Grown by Direct Thermal Reaction with Nitrogen" (Très minces pellicules de nitrure de silicium formées par réaction thermi- que directe avec de l'azote) de Ito et autres, Journal of the Electrochemical Society: Solid State Science and Technology, Septembre 1978, volume 125, no 3, page 448; et "Thermally Grown Silicon Nitride Films for High Performance MNOS Devices" (Pellicules de nitrure de silicium formées par croissance ther- mique pour dispositifs MNOS à hautes performances) de Ito et autres, Applied Physics Letter 32 (5), ler mars 1978, page 330. La couche 22 de nitrure de silicium est alors oxydée pendant approximativement 4 à 5 heures dans de l'oxy- gène (O2) humide à approximativement 9500C. Du fait que cette oxydation de la couche 22 de nitrure de silicium est si len- te, il y a suffisamment de temps pour l'oxydation du silicium situé au-dessous d'un éventuel défaut formé par une pi- qûre dans la couche 22 de nitrure de silicium de manière à former du dioxyde de silicium dans ces piqûres même si des contaminants sont encore présents sur la surface de la tran- che 21 de silicium. Une vue en coupe d'une tranche qui est soumise à ce processus est représentée sur la figure 3c, une couche d'oxyde 25 étant formée, comme représenté, et la cou- che 22 de nitrure de silicium étant oxydée. Une légère irré- gularité de surface 17 dans la couche d'oxyde 25 est repré- sentée sur la figure 3d, irrégularité qui est dûe à une épaisseur légèrement accrue de la couche d'oxyde aux emplace- ments o étaient antérieurement situées les piqûres 23 et 24. Cette légère irrégularité de surface ne produit pas les effets des figures 3a et 3b nuisibles sur la capacité de la couche d'oxyde 25 à fonctionner en tant que moyen d' isolement de grille. La couche d'oxyde 25 comprend du dioxyde de silicium et une petite quantité d'oxynitrure de silicium. La présence d'oxynitrure de silicium n'a pas d'effet nuisible sur la capa- cité de la couche d'oxyde 25 à servir de moyen d'isolement de grille. Pendant le processus d'oxydation, la couche 22 de ni- trure de silicium empêche l'oxydation de la matière de sili- cium sous-jacente d'une manière bien connue. Après complète oxydation de 'La couche 22 de nitrure de silicium, la vue en coupe de cette tranche est telle que représentée sur la fi- gure 3d. La couche 21 de silicium peut être davantage oxydée, si désiré, ce qui accroit l'épaisseur de la couche d' oxyde à celle représentée sur la figure 3e. D'une manière similaire, la couche 22 de nitrure de silicium de la figure 3b peut être oxydée avec de l'oxy- gène (02) sec à approximativement 9500C pendant approximative- ment 15 heures. Ce triplement du temps d' oxydation par rapport au procédé d'oxydation du nitrure de silicium dans de 1'02 humide ne produit pas une amélioration significative en ce qui concerne la densité de défauts de la couche d'oxyde 25 par rapport à l'oxydation du nitrure de silicium dans de l'oxygène humide. En outre, les spécialistes de la technique com- prendront que de nombreuses variations en ce qui concerne les temps et les températures sont possibles pour la forma- tion de la couche de nitrure de silicium et pour l'oxydation de la couche de nitrure de silicium en dioxyde de silicium sans d'écarter pour cela de l'esprit de l'invention. - 2500214 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former une couche comprenant du dioxyde de silicium sur la surface d'une tranche (21) de si- licium, caractérisé en ce qu'il consiste: à former une couche (22) de nitrure de silicium sur ladite surface de la tranche de silicium.; et à oxyder la couche de nitrure de silicium en for- mant de ce fait une couche (25) comprenant du dioxyde de sili- cium. 2. Procédé pour former une couche comprenant du dioxyde de silicium sur la surface d'une tranche (21) de silir- cium, caractérisé en ce qu'il consiste: à former une couche (22) de nitrure de silicium sur ladite surface de la tranche de silicium; à oxyder complètement la couche de nitrure de si- licium en formant ainsi une couche (25) comprenant du dioxyde de silicium sur la surface de la tranche de silicium; et à oxyder en outre la tranche de silicium en accrois- sant ainsi l'épaisseur de la couche de dioxyde de silicium. 3. Procédé pour former une couche comprenant du dioxyde de silicium sur la surface d'une tranche (21) de sili- cium du type comprenant l'étape qui consiste à nettoyer la tranche de silicium, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, les étapes qui consistent: à former une couche (22) de nitrure de silicium sur ladite surface de la tranche de silicium; à oxyder ia couche de nitrure de silicium en for- mant ainsi une couche (25) comprenant du dioxyde de silicium; à oxyder en outre la tranche de silicium en accrois- sant ainsi l'épaisseur de la couche comprenant du dioxyde de silicium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé, en outre, en ce que la couche (25) comprenant du dioxyde de silicium a une épaisseur d'approximativement 100 à 200 angstroms. 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche (22) de nitrure de sili- cium est formée par croissance sur la surface de la tranche (21) de silicium. 6. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche (22) de nitrure de silicium est déposée sur la surface de la tranche (21) de silicium.