Brevet FR2513011A1 — publié le 19830318

La présente invention concerne, d'une manière générale, des dispositifs pour circuits intégrés en silicium et elle se rapporte plus particulièrement à un procédé de fabrication de contacts à faible résistance électrique dans de tels disposi- tifs. Lorsqu'on accroît la densité des éléments de circuits dans les circuits intégrés et leur vitesse de fonctionnement, il devient nécessaire de réduire la résistivité des électro- des, la résistivité des lignes d'interconnexion et la résis- tivité des contacts électriques avec les éléments de circuit. On a utilisé, jusqu'à présent des métaux réfractaires, tels que le molybdène, pour former les électrodes et les lignes d'interconnexion pour de tels dispositifs La liaison des lignes d'interconnexion en métaux réfractaires, tels que le molybdène, à un substrat en silicium pour établir une conne- xion ohmique avec ce dernier a été effectuée jusqu'à présent par des moyens essentiellement mécaniques Suivant ces tech- niques connues, on expose la partie du substrat semiconduc- teur en silicium avec laquelle un contact doit être établi, en enlevant la couche isolante qui la recouvre De préférence, cette opération comporte également l'enlèvement d'une très mince couche de dioxyde de silicium présente sur cette partie et qui se forme facilement sur la surface exposée du silicium à 250 C en présente d'oxygène On dope fortement la partie ex- posée du substrat de sorte qu'un contact de diode de Schottky peut y être établi, contact dans lequel la conduction s'effectue principalement par transmission d'électrons par effet tunnel On dépose alors le métal réfractaire sur la par- tie exposée pour y établir la connexion ohmique Dans le cas du molybdène, bien qu'un contact à résistance relative- mment faible puisse être établi par de tels moyens, on a trou- vé que de tels contacts présentent non seulement une faible adhérence mais également que leur résistance s'accroît forte- ment à la suite de leur traitement ultérieur à haute tempéra- ture. Pour la mise en oeuvre de la présente invention et sui- vant un de ses modes de réalisation donné à titre d'exemple, on utilise un substrat de matière semiconductrice-en silicium ayant une surface principale On forme une couche d'une matiè- re métallique réfractaire choisie dans le groupe constitué par le molybdène et le tungstène sur une partie de la surface principale du substrat en silicium On applique au substrat une dose d'ions d'un type déterminant un premier type de conductivité à travers la couche de matière métallique réfrac- taire pour former une couche d'un composé comprenant le métal réfractaire et du silicium à l'interface de la couche de métal réfractaire et du substrat et également pour former dans le substrat une région du premier type de conductivité contiguë à la couche du composé de métal réfractaire La dose utilisée est suffisamment grande pour assurer une concentration nette en activateurs dans la région précitée, ce qui permet à la conduction entre la couche de silicium de métal réfractaire et la région précitée de s'effectuer de manière prédominante par transmission d'électrons par effet tunnel. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: Fig 1, une vue en plan d'un corps composite qui comprend un substrat de matière semiconductrice en silicium avec lequel un contact électrique à faible résistance est établi conformé- ment à la présente invention; Fig 2, une vue en coupe du corps de la Fig 1, faite suivant la ligne 2-2 de cette Fig 1; et Fig 3 A-3 E, des vues en coupe de structures qui représen- tent les étapes successives d'un procédé de fabrication du corps composite des Fig 1 et 2 conformément à la présente invention. Sur les Fig 1 et 2 auxquelles on se référera maintenant, on a représenté une structure composite 10 qui représente une portion ou région d'un circuit intégré et qui montre une connexion établie conformément à la présente invention La structure 10 comporte un substrat 12 en silicium ayant une conductivité du type N et qui présente une surface principale 13 Une épaisse couche 14 de dioxyde de silicium recouvre la surface du substrat semiconducteur Une ouverture 15 a été formée dans la couche isolante 14, cette ouverture s'étendant jusqu'à la surface du substrat et comportant une paire de pa- rois latérales 15 a et 15 b Une ligne conductrice 16 a en molyb- dène s'étend au-dessus de la couche isolante 14 et pénètre dans l'ouverture 15 La ligne conductrice comporte une partie 16 b contiguë à la paroi latérale 15 a et une autre partie 16 a contiguë à la paroi latérale 15 b et elle comporte une partie de base 16 d qui relie entre elles les extrémités inférieures des parties 16 b et 16 c Au-dessous de la partie de base 16 d se trouve une couche 17 de siliciure de molybdène qui y est liée Le dessous de la couche de siliciure de molybdène est à son tour lié à une région 18 adjacente à la surface ayant une conductivité du type N située dans le substrat 12 Le substrat 12 est formé par du silicium ayant une résistivité appropriée pour que des dispositifs de circuit intégré puissent y être formés La région 18 du type N comporte une concentration net- te en activateurs suffisamment élevée, indiquée par le symbole N+, pour former un contact métal-semiconducteur avec la couche de siliciure de molybdène de telle sorte que la conduction en- tre la région 18 et la région 17 s'effectue d'une manière pré- dominante par transmission d'électrons par effet tunnel La couche 17 peut avantageusement avoir plusieurs centaines d'angstr 5 ms d'épaisseur La ligne de molybdène peut avoir a- o vantageusement une épaisseur de 1000 A La structure composite représente une connexion ohmique établie entre une ligne 16 a et le substrat 12 sur lequel d'autres éléments de circuit intégré (non représentés) sont inclus. On décrira maintenant un procédé de fabrication de la structure composite 10 des Figures 1 et 2 en se référant aux Figures 3 A à 3 E Les éléments des Figures 3,A à 3 E identiques aux éléments des Figures 1 et 2 ont été désignés par les mêmes réfé- rences On utilise un substrat 12 en une matière semiconduc- trice en silicium du type N ayant une résistivité d'environ ohms cm et une épaisseur d'environ 0,254 mm Avantageuse- ment, le substrat comporte une surface principale 13 parallèle à un plan cristallographique ( 100) On fait croître thermique- ment une couche 14 de dioxyde de silicium ayant une épaisseur o d'environ 6000 A sur la surface principale 13, comme représen- té sur la Fig 3 A On forme dans la couche 14 une ouverture rectangulaire 15 qui s'étend jusqu'à la surface principale 13, comme représenté sur la Fig 3 B, en utilisant des techniques de masquage photolithographique et de gravure, bien connues des spécialistes On décape la surface 13 par érosion par bombardement ionique sous une atmosphère inerte à basse pres- sion pour assurer l'obtention d'une surface de silicium pra- tiquement exempte de dioxyde de silicium Il se forme sur les surfaces de silicium une mince couche d'oxyde de silicium na- tif lorsqu'elles sont exposées à de l'oxygène même aux tempé- ratures ambiantes, Bien qu'il soit préférable d'enlever un tel oxyde natif, l'efficacité du procédé de la présence de l'invention n'est pratiquement pas influencée par sa présence. Ensuite, on dépose une couche 16 de molybdène d'une épaisseur No d'environ 1000 A, par pulvérisation cathodique, sur la partie exposée de la surface 13 du substrat semiconducteur maintenue à 300 'C et également sur la couche isolante environnante, com- me représenté sur la Fig 3 C. On forme ensuite un motif dans la couche 16 de molybdène en utilisant des techniques de masquage photolithographique et de gravure bien connues des spécialistes pour former la ligne conductrice 16 a, comme représenté sur la Fig 3 D (et également sur la Fig 1) On applique ensuite une dose d'ions phospho- re, à travers la couche de molybdène contenue dans l'ouverture , dans le substrat, comme représenté sur la Fig -3 D Bien que le faisceau appliqué d'ions phosphore s'étend au-delà de la zone de l'ouverture, les régions de la surface du subs- trat qui ne sont pas situées au-dessous de l'ouverture sont protégées par la couche relativement épaisse 14 de dioxyde de silicium et par la couche 16 de molybdène On communique aux ions une énergie suffisante pour assurer leur pénétration à travers la ligne en molybdène et dans la partie du substrat située au-dessous de l'ouverture 15 On fixe l'énergie des ions à un niveau tel que la portée de la projection, c'est-à- dire la distance moyenne de parcours, est située approximati- vement à l'interface entre la couche 16 de molybdène et la surface principale 13 Une énergie convenable des ions de phosphore qui leur permet de traverser la couche de molybdène est de 250 ke V (kiloélectrons volts) La dose d'ions appliquée est réglée de façon non seulement à provoquer la formation d'un composé intermétallique de molybdène et de silicium mais également de façon à produire une concentration nette en acti- vateurs dans la région adjacente à la surface du substrat suf- fisamment élevée pour former un contact à barrière de Schottky dans lequel la conduction se produit d'une manière prédominan- te par transmission d'électrons par effet tunnel, comme on le décrira ci-après La gamme de valeurs de dose qui peut être utilisée est comprise entre environ 1015 et environ 1017 ions cm Lorsqu'on utilise une densité de courant ou de flux de 2 x 1013 ions cm 2 S 1 une dose de 1015 ions cm 2 sera fournie en environ 50 secondes Lorsqu'on utilise un fais- ceau ionique ayant une densité de courant ou de flux de 13 2 -1 17 -2 3 x 10 ions cm S une dose de 10 ions cm sera fournie en environ 55 minutes 1 seconde 5 tierces. On a réalisé trois groupes de contacts ayant chacun une surface de 0,01 cm 2 à une température de 250 C de la manière décrite ci-dessus, en utilisant des doses respectives de 1015, 1016 et 1017 ions cm 2 On a mesuré la résistivité du contact entre la ligne de molybdène et le substrat de silicium pour chacun des contacts des trois groupes Pour chacun des contacts du groupe formé avec une dose d'environ 10 5 ions cm 2, on a obtenu une résistivité de contact d'approximativement micro-ohms cm Pour chacun des contacts formés avec une dose d'environ 1016 ions c 2, on a obtenu une résistivité de contact d'approximativement 1 micro-ohm cm (La valeur de 1 micro-ohm cm de la résistivité de contact est égale envi- ron à la valeur de la résistivité de contact obtenue en al- liant des conducteurs d'aluminium à des substrats de silicium). Pour chacun des contacts du groupe formé avec une dose d'envi- ron 101 ions cm 2, on a obtenu une résistivité de contact d'approximativement 1 micro-ohm cm On a ensuite recuit cha- cun des trois groupes de contacts à une température d'environ 10000 C pendant 30 minutes et on a ensuite à nouveau mesuré la résistivité de contact Dans le cas des contacts formés avec une dose de 10 ions cm, la résistivité de contact avait été réduite à approximativement 1 micro-ohm cm Dans le cas des contacts formés avec des doses de 1016 et 1017 ions cm2 la résistivité de contact était restée égale approximativement à 1 micro-ohm cm 2 On a également réalisé des contacts molybdène/silicium dans des conditions identiques aux conditions décrites ci- dessus à 250 C, à cette différence près que les trois doses différentes de 1015, 1016 et 1017 ionc cm 2 ont été appliquées à des substrats maintenus à -196 o C et les contacts se sont avérés avoir approximativement les mêmes résistivités de contact que celles décrites ci-dessus pour les contacts ef- fectués à 25 C On a également réalisé des contacts molybdène/ silicium dans des conditions identiques aux conditions décri- tes ci-dessus à 250 C, à cette différence près que les trois doses différentes ont été appliquées aux substrats en sili- cium maintenus à 150 'C et les contacts se sont avérés avoir approximativement les mêmes résistivités de contact que celles décrites ci-dessus pour les contacts formés à 250 C. En ce qui concerne la manière employée pour former les contacts conformément à la présente invention, les ions ayant l'énergie indiquée traversent la couche de molybdène et la mi Ace couche de dioxyde de silicium qui peut être située à l'interface entre le conducteur en molybdène et le substrat. Le bombardement d'ions produit des défauts dans la structure cristalline du substrat en silicium adjacente à la surface, y déplaçant des atomes Toute couche de dioxyde de silicium for- mée sur la surface du substrat est également percée et brisée. Dans ces conditions, les atomes de molybdène et de silicium se mélangent et se combinent pour former un composé à l'inter- face Avec une dose suffisamment élevée, l'interaction produit une couche 17 de disiliciure de molybdène, comme représenté sur la Fig 3 D En même temps, il est produit une concentra- tion accrue d'activateurs donneurs dans la région 18 adjacen- te à la surface du substrat qui convertit cette région en une région à forte conductivité du type N Ainsi, il est formé un contact conducteur, constitué par la couche 17 du disiliciuré de molybdène qui est liée d'un côté à la couche de molybdène et de l'autre côté à la région 18 du type N Ce contact est appelé un contact métal-semiconducteur ou une diode de Schottky Lorsqu'une concentration nette en activateurs de la région du type N est établie à un niveau suffisamment élevé, 251301 1 = 3 c'est-à-dire de l'ordre de 10 atomes cm t la conduction entre ces couches se produit par transmission d'électrons par effet tunnel, ce qui assure une faible résistance ohmique en- tre elles. Bien que, dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on ait utilisé des ions phosphore, on peut également utili- ser des ions d'autres éléments du groupe V, tels que l'arse- nic On doit communiquer aux ions arsenic l'énergie requise pour qu'ils traversent la couche de molybdène et pénètrent en moyenne jusqu'à l'interface entre la couche de molybdène et le substrat semiconducteur Pour une couche de molybdène ayant o une épaisseur de 500 A, on utilise une énergie de 230 ke V (kiloélectrons volts) Dans ce cas également, la dose sera suffisante pour former la couche conductrice de siliciure de molybdène et pour produire une concentration nette en activa- teurs suffisamment élevée pour assurer la conduction par trans- mission d'électrons par effet tunnel entre la couche de sili- ciure de molybdène et cette région. Bien que, dans le mode de réalisation décrit ci-dessu, le contact soit formé sur une surface située dans un plan cristallographique ( 100) du substrat en silicium, il est évi- dent que l'on peut utiliser des surfaces ayant d'autres orien- tations cristallographiques. Bien que, dans l'exemple ci-dessus, on ait décrit l'in- vention en se référant à la réalisation d'une connexion élec- trique à faible résistance entre un conducteur en molybdène et un substrat semiconducteur en silicium ayant une conducti- vité du type N, il est évident que l'on peut établir également des contacts électriques à faible résistance avec des substrats ayant une conductivité du type P Cependant, dans ce dernier cas, au lieu d'utiliser des ions donneurs, choisis dans le groupe V de la table périodique, on utilisera des ions accep- teurs du groupe III de la table périodique En règle générale, le bore sera un élément convenable On devra communiquer aux ions de bore l'énergie nécessaire pour qu'ils traversent la couche de molybdène et pénètrent en moyenne jusqu'à l'inter- face entre la couche de molybdène et le substrat semiconduc- teur Pour une couche de molybdène ayant une épaisseur de o 1000 A, on utilisera une énergie de 90 l-e V Dans ce cas éga- lement, on devra appliquer une dose suffisante pour former la couche conductrice du siliciure de-molybdène et pour produire une concentration nette en activateurs dans la région adja- cente à la surface du substrat suffisamment élevée pour assu- rer une conduction s'effectuant de manière prédominante par transmission d'électrons par effet tunnel entre la couche de siliciure de molybdène et cette région. En outre, on peut former une région du type de conducti- vité opposé dans un substrat semiconducteur ayant un premier type de conductivité en même temps que l'on forme une conne- xion ohmique avec le substrat semiconducteur en appliquant une dose d'ions du type déterminant la conductivité du type opposé à travers la couche de métal réfractaire jusqu'au sub- strat Une couche de siliciure de métal réfractaire est formée à l'interface de la couche de métal réfractaire et du substrat et une région du type de conductivité opposé est formée dans le substrat à l'emplacement contigu à la couche de siliciure de métal réfractaire Naturellement, on utilisera une opéra- tion de recuit pour réparer les dommages causés au substrat en silicium par l'implantation et pour activer les ions qui y ont été implantés. Bien qu'on ait décrit et représenté l'invention en se ré- férant à une structure composite dans laquelle la couche con- ductrice est formée par du molybdène, il est évident que, compte-tenu de la similarité entre les composés du molybdène, en particulier les siliciures de molybdène, et les composés du tungstène, le conducteur 16 peut être également formé en tungstène. R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé pour former un contact électrique, caractéri- sé en ce qu'il consiste: à obtenir un substrat ( 12) de matière semiconductrice en silicium ayant une surface principale ( 13); à former une couche ( 16) d'un métal réfractaire, choisi dans le groupe constitué par le molybdène et le tungstène, sur une partie de la surface principale du substrat; à appliquer une dose d'ions d'un type déterminant un premier type de conductivité à travers la couche de métal ré- fractaire et au substrat pour former une couche ( 17) d'un composé comprenant le métal réfractaire et la matière semi- conductrice en silicium à l'interface de la couche de métal réfractaire et du substrat et pour former une couche ( 18) du- dit premier type de conductivité dans le substrat contiguë à la couche de composé, cette dose étant suffisamment grande pour produire une concentration nette en activateurs dans ladite région de telle sorte que la conduction entre la cou- che de composé et la région se produit de manière prédominante par transmission d'électrons par effet tunnel. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fixe l'énergie des ions précités de façon à provoquer une pénétration moyenne des ions approximativement jusqu'à la surface principale ( 13) du substrat. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la dose d'ions est comprise entre environ 10 5 et environ 1017 ions cm 2 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce qu'on maintient le substrat ( 12) et la couche ( 16) de matière réfractaire à une température inférieure à environ 1500 C pendant que la dose d'ions leur est appliquée. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, l'étape qui consiste à recuire le substrat qui a été exposé à une dose choisie à l'extrémité inférieure de la gamme de doses précitée à une température inférieure à 10000 C environ pendant une période de temps ap- propriée pour diminuer la résistance entre ladite couche et le substrat. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie précitée de la surface principale ( 13) du sub- strat comporte une mince couche de dioxyde de silicium, la couche ( 16) de matière métallique réfractaire recouvrant la mince couche de dioxyde de silicium et en ce que la dose pré- citée est appliquée à travers cette mince couche de dioxyde de silicium. 7 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 12) est du premier type de conductivité au voisinage de ladite partie de la surface principale et de la- dite région ( 18). 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat ( 12) est du type de conductivité opposé au premier type au voisinage de ladite partie de la surface prin- cipale et de ladite région ( 18). 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire métallique est le molybdène. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire métallique est le tungstène. 11 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions sont choisis parmi ceux du groupe V de la table périodique. 12 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les ions sont des ions phosphore. 13 Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les ions sont des ions arsenic. 14 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ions sont choisis parmi ceux du groupe III de la table périodique. 15 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que les ions sont des ions bore.