Brevet FR2517123A1 — publié le 19830527

Procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur, et plus par- ticulièrement, un procédé de formation d'une pellicule semi-conductrice monocristalline sur un isolant Pour répondre à la demande de composants semi-conducteurs à grande vitesse et à grande densité d'équipement, des ten- tatives ont été faites pour produire des circuits inté- grés de capacité parasite réduite, dans lesquels les éLé- ments de circuit sont isolés les uns des autres par des diélectriques Selon une tentative, les éléments de cir- cuit sont formés dans un ilôt de cristal semi-conducteur sur un isolant Un prodédé courant de formation d'un mono- cristal semi-conducteur consiste à déposer d'abord une pellicule semiconductrice polycristalline ou amorphe sur un isolant et à convertir ensuite la surface de la pellicule en une couche semi-conductrice monocristalline, en la chauffant avec un rayonnement de haute énergie comme un faisceau de laser ou d'électrons. Ce procédé courant est décrit en regard de la Figure 1 Sur la Figure 1 en (a), la référence numérique désigne un substrat de quartz (Si O 2) et 11 une couche de silicium polycristallin formée jusqu'à une épaisseur e de 5000 A sur 1 ú substrat par un procédé courant de d 6- pbt chimique en phase vapeur sous pression réduite Comme le montre la Figure 1 (b), une pellicule d'oxyde 1; 2 est for- e mée jusqu'à une épaisseur de 500 A sur la couche de sili- cium à 9500 C dans une atmosphère oxydante, puis une pelli- cule de nitrure 13 est formée jusqu'à une épaisseur de 1000 A sur la pellicule d'oxyde par dépôt chimique en phase va- peur sous pression réduite et la pellicule de nitrure est pbotogravée selon une configuration déterminée comme le mentre la Figure 1 en (c). Le preduit résultant est exposé à une atmosphère oxydante à 950 *C pendant une période prolongée jusqu:à ce que toutes les régions non couvertes par la pellicule de nitrure 13 soient' oxydées et ensuite, la pellicule de nitrure et la pellicule 12 d'oxyde sousjacente sont 1 éliminées pour obtenir une structure telle que celle représentée en (d) sur la figure 1, comportant une cou- che de silicium polycristallin entourée par du bioxyde de silicium isolant (verre de quartz) sur le fond et les quatre côtés Mais un tel silicium polycristallin n'a pas l'ttat cristallin qui convient pour la fabrication du composant semi-conducteur voulu de sorte qu'il doit être converti en silicium monocristallin ou recris- tallisé en silicium polycristallin à gros grains, en le faisant fondre avec un rayonnement de haute énergie comme un faisceau étroit de laser ou d'électrons Mais selon le procédé courant, de la chaleur se dissipe vers le bas et transversalement de façon incontrôlée à travers la couche isolante environnante, de sorte qu'un refroi- dissement prématuré se produit souvent et que de nombreux germes cristallins se forment, rendant difficile la pro- duction de gros grains, et a fortiori la formation de monocristaux Pour éliminer ce problème, une couche iso- lante, par exemple une pellicule de nitrure 15 d'une épaisseur d'environ 100 t peut être formée sur toute la surface de la couche 11 de silicium polycristallin et de la couche( 14) de bioxyde de silicium comme le montre la Figure 1 en (e) de sorte que la conduction thermique à travers le silicium polycristallin peut être contrôlée de manière qu'il soit converti en une couche de silicium monocristallin Mais cette technique n'est pas applicable au cas o la source de chaleur est un rayonnement de haute énergie autre qu'un faisceau laser Mème si un fais- ceau laser est utilisé, la pellicule de nitrure 15 sert de couche antiref S Lxion, et le plus léger changement de son épaisseur peut entratner des fluctuations du rendemeut laser qui, à son tour, tend à la formation d'une couche de silicium monocristallin dont l'épaisseur varie d'une opération à l'autre. La Figure 2 illustre la séquence des opr N -* tions d'un procédé de formation d'un transistor MOS à 1 7123 partir d'un ilot de la couche de silicium mono- cristallin ainsi préparée Le procédé de formation d'un transistor MOS à grille de silicium est bien connu et ne nécessite aucune explication détaillée. 4 Mais le problème essentiel dans ce procédé résulte de a pellicuie d'oxyde de grille qui est indiquée en 21 sur la figure 2 en (b) Etant donné que la grosseur des grains ou les axes des cristauxc ne sont pas con- tr 8 lés dans l'ilot de la cou Che de silicium,-la pelli- cule d'oxyde formée sur lui n'a pas une épaisseur uniforme et ne peut pas avoir une distribution uniforme de charge. Si des transistors MOS sont formés en utilisant cette pellicule d'oxyde, leurs caractéristiques varient dans la même plaquette oud'urplaquette à l'autre Conmme le montre la Figure 2 en (c), une grille 22 de silicium polycristallin est formée sur la pellicule d'oxyde 21 par photogravure et comme le montre la Figure 2 en (d) une région de source et de drain 23 est formée sous la pellicule d'oxyde 21, et comme le montre la Figure 2 en (e) un composant complet est produit en formant des pellicules 24 d'isolement, une connexion 25 en fil d'aluminium et une pellicule 26 de protection suparfi- cielle. Un objet de l'inventior est donc de proposer un procédé perfectionné de production d'un composant semi-conducteur, selon Leque L une couche semi-conduc- trice polycristal Line est formée sur une couche isolan- te qui comporte un ilot dans au moins une région, et selon lequel la couche semi-conductrice est irradiée avec un rayonnement de haute énergie pour atre fondue pendant qu'une conduction thermique se fait de façon contr 5 lée pour obtenir une couche semi-conductrice re- cristallisée d'une qualité uniforme et améliorée. D'autres caractéristiques et avantages de ltin- vention apparattront au cours de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesque Ls: La Figure 1 de *(a) à (e) montre en coupe la séquence des opérations courantes de production d'un ilot d'une couche semiconductrice, la Figure 2 en (a) à (e) montre en coupe la sé- quence d' un procédé de fabrication d'un transistor MOS en utilisant l'ilot courant de couche semi-conductrice-, et la Figure 3 en (a) à (h) montre en coupe la sé- quence d 9 un procédé de réalisation d'un ilot d'une couche semiconductrice selon un mode de réalisation de l'invention. La Figure 3 représente en (a) un substrat de quartz 10 et, sur ce substrat, une grille en photorésist avec une largeur de ligne de 2 pmet une distance entre li- gnes de pm est formée comme le montre la Figure 3 en (b). Le substrat est ensuite soumis à une gravure ionique réactive dans un-gaz d'attaque pour former une grille d'une pro- fondeur de 3000, et le photorésist est élimi née comme représenté en (c) sur la Figure 3 Ensuite, une couche 11 de silicium polycristallin est formée jus- qu,'à; une épaisseur de 5000 A par dépôt chimique en phase vapeur sous P Zession réduite, comme le montre la Figure 3 en (d). Une pellicule d'oxyde 12 est formée dans une atmosphère oxydante à 9500 C et une pellicule de nitrure 13 est for- mée par dépôt chimique en phase vapeur sous pression rédui- t e, et ph-o-tiogravêe selon' une configuration prédéterminée comme le montre la Figure 3 en (e) Apres l'expositiondu produit à une atmosphère oxydante à 9506 C, la pellicule 13 de nitrure mise en forme et la pellicule sous-jacente d'oxyde 12 sont éliminées comme le montre la Figure 3 en (f) La Figure 3 montre en (g) et en (h) des vues en plan de la configuration représentée en (f) La Figure 3 montre en (g) une coupe de l'ilot mis en forme de la couche 1 de silicium polycristallin, qui mesure 40 pm x 80 pm et comporte quatre nervures La figure 3 montre en (h) une autre coupe qui mesure 10 pm x 80 pm et qui ne comporte qu'une seule nervure centrale La lar- geur d'une nervure et la distance entre les nervures sont déterminées par la dimension du spot de rayonne- ment à haute énergie utilisée ou la surface de la couche polycristalline à fondre par irradia- tion avec ce rayonnement Dans le présent mode de réa- lisation, un faisceau de laser d'une grosseur de 50 à pm est utilisé,et la largeur de la nervure et la distance entre les nervures sont établies respective- ment à 2 mu et 10 pm de sorte que leur sormme est à peu près le cinquième de la grosseur du spot du faisceau laser Pendant le balayage avec un faisceau laser de la structure représentée en (f) de la Figure 3, la direction du balayage peut tre parallèle ou perpendiculaire aux nervures* mai un balayage longitudinal est préférable si la dimension de la configuration dépasse la grosseur du spot Sous l'effet de l'irradiation, le silicium polycristallin de la couche Il fond Lorsqu'il se soli- difie, le silicium directement au-dessus de la nervure se solidifie plus lentement qu'aux autres endroits, car la partie en' nervum Ns de l'isolant sous-jacent est plus épaisse que les autres parties de sorte qu'un rayonnement thermique par la partie de nervure ne peut se faire fa- cilement Autrement dit, la solidification du silicium commence avec les parties en creux et se termine avec les parties en nervure Par conséquent, des limites de grainsa cont toujours formées sur les nervures mais du silicium fionocristallin ou recristallisé avec des grains extrêmement gros est formé sur les autres régions. La structure représentéeen (f) de la Figure 3 est ensuite traitée de la manière habituelle pour fabriquer le compo- sant semi-conducteur voulu. Dans le présent mode de réalisation, un fais- ceau laser est utilisé comme source de chaleur mais le même résultat peut être obtenu avec un faisceau d'élec- trons En outre, plutôt que de former des nervures sur toute la surface du substrat, les nervures peuvent n'être formées que sur une section spécifique mise en forme par un alignement de masque Il n'est pas néces- saire que les nervures aient une section rectangulaire car elles peuvent avoir toute inclinaison appropriée pour permettre de contr 1 ôler la direction de la croissance du plan cristallin. Tel qu'il a été décrit ci-dessus, le procédé selon l'invention se caractérise par la formation de nervures sur la surface d'un isolant audessous d'un il 8 t d'une couche semi-conductrice polycristalline dans le but de faciliter la conduction thermique à travers la couche semiconductrice et de contrôler la croissance de cristaux Par conséquent, quaid la couche est irradiée avec un rayonnement de haute énergie, elle fond et se solidifie en une couche monocristalline ou une phase polycristalline avec de très gros grains et, Un utilisant cette couche semi-conductrice recristalli- àée, un composant possédant des caractéristiques amélio- rées et constantes peut Etre fabriqué. REVENDICATIONS 1 Procédé de production d'un composant semi- conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à-former un ilot ( 11 '-> d'une couche semi-conductrice polycristalline ou amorphe sur un isolant ( 10), et à l'en- tourer par l'isolant, à chauffer localement ladite couche pour la fondre afin de former une structure re- cristallisée et à former au moins une nervure sur l'isolant sous-jacent avant la formation de ladite couche. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit chauffage est effectué par un faisceau de laser ou d'électrons. 3 Procédé selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que ledit chauffage local est effectué en dé- plaçant ledit faisceau laser ou Ledit faisceau d'élec- trons par rapport à ladite couche. 4 Procédé de production d'un composant semi- conducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à préparer un substrat isolant ( 10) et à former sur lui au moins une nervure, à former un ilot ( 11) de ma- tière semi-conductrice polycristalline ou amorphe sur ladite nervure et à entourer ladite matière semi-con- ductrice avec un isolant, et à chauffer ladite matière semi-conductrice pour en permettre la recrista'lisa- tion, ladite recristallisation commençant avec une par- tie de ladite matière semi-conductrice adjacente à la- dite nervure. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il consiste en outre à contrÈLer la forme de ladite nervure pour contr Sl er ainsi les plans de croissance cristalline pendchnt la recristallisation. 6 Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce que ledit chauffage est effectué avec un fais- ceau de laser ou d'électrons. 7 Procédé selon la revendication 4, caracté- rise en ce que plusieurs nervures sont formées sur le- dit substrat par gravure de celui-ci. 17123 a R Procédé selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que ledit chauffage-est effectué localement au moyen d'un balayage par un faisceau de rayonnement à haute énergie> lesdites nervures étant formées à des in- tervalles tels que ces intervalles soient plus petits que la dimension du spot dudit faisceau.