Brevet FR2518810A1 — publié le 19830624

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de transistors en couches minces en si- licium sur substrat isolant Elle trouve une applica- tion notamment à la réalisation de composants électro- niques de grande surface De tels composants sont uti- lisés dans la réalisation d'écrans plats d'affichage, de rétines électroniques, de capteurs actifs, de mémoi- res électroniques, etc Un transistor en couches minces (T C M en abrégé) est un transistor à effet de champ à grille isolée Il s'apparente au transistor MOS (Métal-Oxyde- Semiconducteur) avec cette différence qu'il est réalisé sur un substrat amorphe et non sur une plaquette de silicium monocristallin Comme ils ne sont plus limités par la taille du substrat cristallin, les circuits à T.C M peuvent présenter de très grandes dimensions. Le T C M sur substrat isolant a été étudié par trois voies différentes: Voie 1: Avant l'avènement de la technologie MOS sur silicium, un nombre important de travaux rap- portaient la fabrication de T C M à base de composés binaires (II-VI) comme Cd S et Cd Se Il s'agissait essentiellement de semiconducteurs polycristallins en films minces Le T C M. était obtenu par masquage sous vide Des va- riantes récentes ont été proposées incluant des étapes de photogravure Une de ces variantes consiste à effectuer un dépôt uniforme de qua- tre couches, respectivement de matériaux iso- lant, semiconducteur, isolant et métallique puis à photograver les trois dernières couches. Voie 2: Une deuxième approche, qui date de moins de 5 ans, utilise des monocristaux de silicium sur substrat amorphe, dans le but d'augmenter la compacité des circuits intégrés et si possible de passer en trois dimensions La recristalli- sation du silicium est effectuée par laser et divers artifices sont utilisés pour obtenir un monocristal ou un polycristal à gros grains. Une fois le silicium recristallisé on utilise pour la fabrication du transistor un processus analogue à la technique MOS, à savoir: implan- tation, diffusion, oxydation etc Dans tous les cas, il s'agit d'un processus à haute tem- perature, incompatible avec l'utilisation d'un substrat de grande dimension peu cher comme le verre Le champ d'application est donc res- treint à la microélectronique. Voie 3: Récemment, des travaux rapportent la réalisa- tion de T C M en silicium amorphe hydrogéné (a Si H), pour la réalisation d'écrans plats à cristaux liquides Ces T C M sont réalisés par étapes faisant intervenir des photo-gravures, à partir d'un dépôt de a Si H à basse température ( 250 300 C) Or, à cette température, le si- licium possède un fort taux d'hydrogène ( 10 à %), ce qui nuit à la recristallisation éven- tuelle du silicium Cette rectistallisation est nécessaire si l'on veut réaliser l'ensemble des circuits de commande de l'écran, en parti- culier les registres à décalage périphériques (circuit d'adressage du signal vidéo). Ces trois techniques présentent en outre des inconvénients qui sont les suivants: Voie 1: les semiconducteurs composés (II-VI) sont peu fiables, la technique de masquage sous vide est limitée en résolution et en souplesse, et les procédés par photogravure sont complexes On pourra consulter à ce sujet, l'article de LUO publié dans "IEEE Trans on Electr Devices", vol ED 27, n* 1, Janvier 1980. Voie 2: les procédés à haute température sont limités aux substrats nobles (et chers) comme la silice (cf l'article D K BIEGELSEN et al publié dans *Appl Phys Lett" 38 ( 3), ler Février 1981). Voie 3: la structure proposée est assez complexe, et il y a incompatibilité avec la recristallisa- tion du silicium On pourra consulter à ce su- jet l'article de MATSAMURA publié dans les "Proceedings of the 12th Conference on Solid State Devices", Tokyo 1980 publiés dans "Japa- nese Journ of Appl Phys " vol 20 ( 1981) supp 20 E, p 311-314. Le but de l'invention est justement de remé- dier à ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication simplifié de T C M en silicium amorphe ou polycristallin, sur un substrat de grande dimension, par exemple en verre. Grace à l'invention, des T C M en silicium amorphe et en silicium polycristallin ont été obtenus sur un substrat de verre, avec des caractéristiques électriques comparables voiresupérieures à celles ob- tenues par les voies 1 et 3 En outre, un cizcuit intégré compiexe (comprenant jusqu'à 105 T C M) peut être obtenu sur une surface de ldm 2 Les T C M en silicium amorphe (a Si) et polycristallin (po- ly Si) obtenus par le procédé de l'invention ont un rap- port courant de conduction/courant de blocage de l'or- dre de 104 avec le silicium amorphe, contre 103 avec le silicium polycristallin Dans ce dernier cas, la mobi- lité des porteurs, mesurée par effet de champ, est de l'ordre de 20 cm 2/Vs (courant source-drain de 100 VA pour un canal 50 x 100 itn 2) Ces valeurs peuvent encore être améliorées, notamment en optimisant la recristal- lisation par laser (ou par tube éclairs) Cependant, mime sans cette optimisation, les T C M en a Si obtenus sont bien adaptés à la commande des écrans à cristaux liquides. 2518810- Un circuit complexe peut être obtenu,-. comprenant 320 x 320 T C M, sur une éurface de 8 cm x 8 cm La matrice obtenue constitue l'une des faces d'une cellule à cristaux liquides, l'autre face étant constituée par une lame de verre revêtue d'une couche conductrice transparente Il est possible d'in- tégrer les circuits -d'adressage du signal vidéo à la périphérie de la matrice de transistors Ces circuits sont constitués de transistors en silicium polycristal- lin L'un des intérêts du procédé de fabrication de l'invention est justement de permettre la réalisation simultanée de T C M en a Si et en poly Si sur un subs- trat de verre - Tous ces résultats sont obtenus selon l'in- vention par un procédé qui est caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: dépôt sur un substrat isolant d'une couche d'un métal apte à former un siliciure au contact de silicium, photogravure de cette première couche de métal pour définir les sources, les drains et les canaux pour les futurs transistors et diverses connexions entre transistors, dépôt d'une couche de silicium par plasma en phase gazeuse réactive, cette opération provoquant l'appa- rition d'une couche de siliciure au contact avec le métal de la couche photogravée, dépôt d'une couché de silice par plasma en phase ga- zeuse réactive, dépôt d'une couche conductrice par plasma en phase gazeuse réactive, photogravure de l'ensemble couche conductrice-couche de silice-couche de silicium, sans attaque du sili- ciure qui recouvre la couche de métal photogravée. Les caractéristiques de l'invention apparai- tront mieux après la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nullement limitatif Cette description se réfère à des dessins annexés, qui représentent différentes étapes (a) à (i) du processus de réalisation d'un transistor selon le procédé de l'invention. Les différentes opérations constituant le procédé de l'invention sont, dans l'exemple illustre, les suivantes: Opérationsn l: Préparation d'un substrat de verre, (par exemple de la marque Corning 7059); nettoyage physico-chimique classique; sur la figure (a) ce substrat porte la référence 10. Opération n 2: dépôt sur tout le substrat d'une couche 12 de métal, d'épaisseur comprise entre 500 et 2000 A et de préférence voisine de 1000 A; ce métal doit servir aux con- tacts source et drain; un alliage nickel-chrome peut être utilisé, qui forme un siliciure à basse température ( 400 C) (b). Opération n 3: la couche de Nicr est photogravée pour définir le canal 14 des futurs transis- tors et les diverses connexions entre les transistors; cette opération nécessite un premier masque et conduit au produit représenté en (c). Opération n 4: dép 8 t d'une couche de silicium par plasma en phase gazeuse réactive (CVD- plasma) à une température comprise entre 4000 et 600 C et de préférence voisine de 500 C; une couche de siliciure 18 se forme à la surface de la couche 12 photo- gravée. Opération n 5: dépôt d'une couche de silice 20 par la Opératic Opératic Opératic Opératic même méthode, à la même température ou à une température plus basse (e). on nc 6: dans le cas o on veut obtenir du sili- cium polycristallin, l'échantillon est alors soumis au rayonnement 22 d'un laser ou d'un tube éclairs, soit in situ (de préférence) soit à l'extérieur du réac- teur de dépôt (f). on n 7: dépôt d'une couche métallique de grille 24, par exemple en aluminium ou en sili- cium très dopé, (par CVD plasma), sur toute la surface de l'échantillon (g). n n 8: à l'aide d'un second masque on réalise une photogravure du sandwich grille 24- isolant 20-semiconducteur 16, sans atta- quer la couche de siliciure 18 formée sur le nickel-chrome (h); cette opération peut être réalisée par voie humide ou sè- che; dans cette dernière solution la sé- lectivité est facile à réaliser La gril- le de silicium permet d'effectuer une sous gravure contrôlée du silicium, ce qui diminue le courant de fuite grille- drain et grille-source. )nn 9: le composant est soumis à une post-hy- drogénation (symbolisée par les flèches 26 sur la figure i) pour diminuer le nom- bre de défauts et améliorer les interfa- ces Cette opération s'effectue dans un plasma d'hydrogène à 4000 C La pression d'hydrogène est par exemple de 0,1 torr, la puissance RF de 20 W L'hydrogènation est complète au bout de 15 mn Bien que les quantités d'hydrogène introduites dans le silicium au cours de cette opéra- tion soient faibles (environ 1 %), les propriétés électroniques s'en trouvent fortement améliorées: la photoconducti- vité apparait, la mobilité est augmentée de plus d'un facteur 10, le nombre de -laisspendatesdusfiicimpassede 1019 cm 3 à quelques 1016 cm-3. Opération n" 10: le composant est ensuite passivé par une couche de Si O 2 déposée par CVD plasma % O et des fenêtres sont éventuellement réa- lisées pour effectuer les diverses con- nexions nécessaires a la réalisation du circuit (non représenté). On observera que le procédé de l'invention est compatible avec les procédés de recristallisation du silicium par rayonnement optique Si cette recris- tallisation est localisée, on peut obtenir à la fois des transistors en silicium amorphe et des transistors en silicium polycristallisé sur le même substrat de verre Cette faculté est particulièrement intéressante dans la réalisation d'écrans plats d'affichage à élec- tronique de commande intégrée. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de transistors en couches minces sur substrat isolant, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: dlpôt sur un substrat isolant ( 10) d'une couche ( 12) d'un métal apte à former un siliciure au contact de silicium, photogravure de cette première couche de métal pour définir des sources, des drains et des canaux pour les futurs transistors et diverses connexions entre transistors, dépôt d'une couche de silicium ( 16) par plasma en phase gazeuse réactive, cette opération provoquant l'apparition d'une couche de siliciure ( 18) au con- tact avec le métal de la couche ( 12) photogravée, dépôt d'une couche de silice ( 20) par plasma en phase gazeuse réactive,- dépôt d'une couche conductrice ( 24) par plasma en phase gazeuse réactive, photogravure de l'ensemble couche conductrice ( 24) couche de silice ( 20), couche de silicium ( 16) sans attaque du siliciure ( 18) qui recouvre la couche de métal photogravée, 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte en outre les opérations sui- vantes: posthydrogénation de l'ensemble dans un plasma d'hy- drogène, passivation de l'ensemble par une couche de silice déposée par plasma en phase gazeuse réactive. 3 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la couche conductrice ( 24) est en métal. 4 Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la couche conductrice ( 24) est en alumi- nium. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la couche conductrice ( 24) est en sili- cium très dopé et est obtenue par plasma en phase ga- zeuse réactive. 6 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le métal de la couche ( 12) déposée sur le substrat ( 10) est en alliage nickel-chrome. 7 Procédé selon la revendication 6, caracté- risé en ce que la couche ( 12) de nickel-chrome a une épaisseur comprise entre 500 A et 1500 A et de préfé- O rence voisine de 1000 A; 8 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la couche de silicium ( 16) a une épais- O O seur comprise entre 3000 A et 7000 A et de préférence o voisine de 5000 A. 9 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que l'opération de dépôt de silicium s'effectue à une température comprise entre 350 C et 650 e C et de préférence à une température voisine de 500 C. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que l'opération de dép 8 t de la couche de silice ( 20) est suivie d'une ope- ration d'insolation de l'ensemble par un rayonnement optique apte à provoquer une recristallisation du sili- cium ( 16). 11 Procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la posthydrogénation est effectuée dans un plasma d'hydrogène à une température comprise entre 300 C et 5000 C et de préférence voisine de 400 C.