Brevet FR2535527A1 — publié le 19840504

PROCEDE DE FABRICATION DE CIRCUITS INTèGRE5 AU SILICIUM COMPORTANT DES ELECTRODES RAPPROCHEES SUR UNE COUCHE ISOLANTE ET CIRCUIT CORRESPONDANT La présente invention concerne les circuits intégrés, et plus spécialement les circuits qui nécessitent la réalisation d'électrodes conductrices rapprochées mais non en contact les unes avec les autres. Un exemple peut en être donné avec les circuits à transfert de charges (CCD, de l'anglais charge coupled devises). Ces circuits comportent une succession de barres conductrices parallèles qui doivent etre très proches les unes des autres pour que le transfert de charges électriques puisse s'effectuer avec aussi peu de pertes que possible. Un autre exemple peut être donné avec les mémoires dynamiques de type MOS (Metal-Oxyde-Semiconducteur) ou deux électrodes rapprochées servent l'une au stockage en mémoire et l'autre à l'accès ; chacune des électrodes sert à engendrer un puits de potentiel transférant ou stockant les charges, et les électrodes doivent etre assez rapprochées l'une de l'autre pour que les deux puits de potentiel ne soient pas séparés par une barrière de potentiel. Pour obtenir des électrodes de grille assez rapprochées, aussi bien dans les dispositifs àtransfert de charge que dans les mémoires dynamiques de# type MOS, on n'a pas trouvé jusqu'à amain- tenant d'autre moyen que de faire se chevaucher partiellement les électrodes de grille consécutives, une épaisseur d'oxyde étant interposée entre une grille et la partie de grille adjacente qui la chevauche. Ces électrodes sont réalisées dans ce cas au moyen de deux couches de silicium polycristallin ou autre matériau conducteur disposées et gravées successivement, avec une oxydation avant le deuxième dépôt. Un premier inconvénient de ce procédé est le fait que l'oxyde servant d'isolant sous les électrodes constituées par la deuxième couche de silicium polycristallin est de qualité moins bien contrôlable que l'oxyde situé sous les électrodes constituées par la première couche car il est contaminé par les impuretés (phosphore par exemple) avec lesquelles on a dope la première couche de silicium polycristallin. Cet oxyde peut lui-même contaminer le silicium monocristallin du substrat la où il est en contact avec lui. Un deuxième inconvénient du procédé actuel concerne l'encombrement des circuits réalisés, et plus précisément le pas des électrodes successives ; du fait que les électrodes de grille se chevauchent, il faut prévoir une marge de recouvrement suffisante pour tenir compte des imprécisions d'alignement des masques successifs de gravure (puisque les deux couches de silicium polycristallin sont gravées successivement) ; en ajoutant à cela le fait qu'on ne sait pas définir par photogravure un sillon de largeur inférieure à quelques microns (dépendant de la résolution des systèmes optiques employés), on est conduit a réaliser des électrodes se succédant avec un pas global relativement grand et qu'il serait souhaitable de réduire. Par conséquent, la présente invention propose un nouveau procédé permettant d'une part la réalisation de toutes les électrodes de grille sur le même oxyde de grille ou plus généralement sur la même surface, et d'autre part la réduction du pas de succession des électrodes adjacents. Le procédé selon l'invention consiste à déposer du silicium polycristallin sur la surface sur laquelle on veut créer les électrodes rapprochées : en pratique il s'agira par exemple de déposer ce silicium polycristallin sur une tranche semiconductrice dont la surface supérieure est une couche diélectrique mince formée par oxydation thermique de silicium monocristallin. Après dépôt d'une couche de silicium polycristallin, on forme une couche mince d'oxyde de silicium, puis, on dépose du nitrure de silicium. On grave le nitrure pour former des flots de nitrure séparés par des plages où la couche d'oxyde mince est découverte. On oxyde ensuite thermiquement le silicium polycristallin pendant une durée suffisante pour former une couche d'oxyde épais pénétrant partiellement sous les bords des flots de nitrure. On utilise ici deux particularités de l'oxydation thermique du silicium : la première est qu'elle est inhibée localement là où le silicium est recouvert de nitrure, la seconde est que l'oxyde se forme partiellement dans la masse du silicium polycristallin, de sorte qu'il pénètre sous les bords des ilotes de nitrure. Cette dernière particularité est généralement considérée comme genante dans les procédés d'oxydation localisée, mais ici on en tire profit comme on va le voir. On désoxyde ensuite la surface de la tranche de silicium, par attaque chimique isotrope pour enlever la couche d'oxyde épais y compris sous les bords des Plots de nitrure. On dépose alors uniformément, à basse pression, une autre couche de silicium polycristallin. On profite de ce que le dépôt à basse pression est tres couvrant, c'est-â-dire que le silicium se dépose même dans les anfractuosités, et en particulier dans le vide créé par la désoxydation sous les bords des velots de nitrure. On grave ensuite, sans masque, de préference par attaque anisotrope verticale, le silicium polycristallin, de manière à éliminer tout le silicium polycristallin présent au-dessus des îlots de nitrure, tout en conservant une épaisseur de silicium polycristallin en dehors de ces îlots. On oxyde thermiquement la tranche g l'oxydation se fait la où il n'y a pas de nitrure, sur une épaisseur suffisamment faible pour qu'une partie de silicium polycristallin non oxydée subsiste en contact avec le nitrure sous les bords de celui-ci. Le nitrure est alors élimine ; le silicium polycristallin à nu affleure sur une faible surface sous forme de bandes étroites fermées sur le pourtour d'un pilot. On grave alors le silicium polycristallin, par attaque anisotrope verticale. De l'oxyde est présent sur la majeure partie de la tranche et protège le silicium sauf aux endroits où il affleure. La gravure est faite de telle manière qutun sillon profond soit creusé à ces endroits dans le silicium polycristallin jusqu'# mise à nu de la surface sur laquelle on avait déposé la première couche de silicium polycristallin. On a formé ainsi deux séries d'électrodes rapprochées mais séparées les unes des autres : la première correspond aux portions de silicium polycristallin qui se trouvaient sous les îlots de nitrure, la seconde aux portions de silicium polycristallin en dehors des îlots de nitrure, un sillon étroit ayant été creusé autour des premieres. Ce sillon est ensuite rempli d'une substance isolante, par exemple par simple oxydation thermique du silicium polycristallin. Parmi les avantages de ce procédé, outre le fait qu'il permet de former toutes les électrodes au-dessus d'une couche unique et uniforme d'oxyde en constituant un motif d'électrodes dont le pas est plus rapproché que celui qui est obtenu avec deux séries d'électrodes gravées successivement dans deux couches de silicium polycristallin, on peut citer - le fait qu'un masque unique est utilisé et qu'il n'y a donc aucun probleme d'alignement de masques, - le fait que les électrodes adjacentes ne se recouvrent pas, ce qui élimine les capacités parasites, qui, dans les dispositifs connus peuvent être importantes du fait que les électrodes se présentent parfois sous forme de bandes paralleles de faible largeur mais de grande longueur (cas des dispositifs a transfert de charges), - le fait que les électrodes obtenues sont assez rapprochées pour que les transferts de charge s'effectuent sans pertes, ou, dans le cas des éléments a mémoire, pour que le canal créé par l'application de tensions appropriées sur deux électrodes adjacentes soit ininterrompu. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront a la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1 à 13 représentent les étapes essentielles successives du procédé selon l'invention. On ne décrira pas la totalité de la fabrication d'un circuit mais seulement celle des électrodes rapprochées, étant entendu que l'on peut effectuer un certain nombre de diffusions préalables dans la tranche de semiconducteur, pour la formation de sources et drains de transistors MOS, et que l'on peut aussi réaliser ultérieurement des interconnexions, des dépôts métalliques, etc.. L'exemple décrit est applicable par exemple à une structure CCD où des électrodes rapprochées de silicium polycristallin sont déposées sur une couche diélectrique mince qui peut être de l'oxyde de silicium SiO2. On part d'un substrat de silicium monocristallin 10 (la partie supérieure peut être une couche épitaxiale) ayant une conductivité de type et de valeur désirée, qui a subi une oxydation thermique pour former superficiellement une couche mince 12 d'oxyde SiO2 destinée à constituer l'oxyde de grille des électrodes de transfert de charge ainsi que l'oxyde de grille des transistors MOS de circuits périphériques de commande (figure 1). La couche 10 de silicium monocristallin peut subir des dopages locaux de formation de sources, de drains, de caissons de conductivité opposé à celui de la couche 12, etc. Ces dopages peuvent avoir lieu par prédépôt et diffusion d'un dopant avant oxydation thermique ou par implantation ionique après formation de la couche 12. On dépose ensuite (figure 2) une couche de silicium polycristallin 14 sur une épaisseur qui peut être de l'ordre de 2000 à 5000 angströms. On peut former, après ce dépôt, un siliciure métallique à la surface de la couche 14 pour améliorer sa conductivité (siliciure de tantale par exemple). Ce siliciure n'est pas représenté. Le silicium polycristallin est soumis à une oxydation thermique (ou un dépôt d'oxyde) sur une épaisseur de l'ordre de 500 à 1000 angstroms, la couche d'oxyde résultante 16 (figure 3) servant essentiellement d'intermédiaire pour faciliter l'accrochage d'une couche de nitrure de silicium 18 que l'on va déposer immédiatement après (figure 4). Le dépôt de nitrure de silicium se fait de manière classique, par exemple au moyen de dichlorosilane et d'ammoniac, sur une épaisseur de l'ordre de 1000 angströms. L'opération suivante (figure 5) consiste en une pho togravure du nitrure pour constituer un motif d'îlots de nitrure de silicium (zones A) entourés de plages où l'oxyde de la couche 16 est à découvert (zones B). Cette photogravure se fait par dépôt d'une résine photosensible, insolation à travers un masque dessiné au motif désiré, dissolution de la résine en dehors des zones A définies par le masque et attaque du nitrure la où il n'est plus protégé par de la résine. Ce masque est le seul masque nécessaire à la réalisation des électrodes rapprochées. Les zones A définiront une première série d'électrodes, les zones B une deuxième série. On oxyde alors thermiquement la surface du silicium polycristallin la où il n'est pas protégé par un îlot de nitrure. Il en résulte une couche d'oxyde épais 20 qui pénètre partiellement sous les bords des îlots de nitrure en soulevant ces bords. Ce procédé d'oxydation épaisse avec protection par des zones de nitrure est classique et on sait que l'oxyde se forme à la fois au sein du silicium polycristallin dont il consomme une partie, et au dessus de la surface initiale du silicium polycristallin, ce qui provoque le soulèvement des bords du nitrure. La pénétration latérale de l'oxyde sous le nitrure correspond en gros à la moitié de l'épaisseur de l'oxyde formé par exemple, si on forme un oxyde de 1000 à 2000 angströms, la pénétration latérale sous les bords sera d'environ 500 à 1000 angströms (figure 6). On procède alors à une désoxydation de la surface de la tranche semiconductrice (figure 7). Cette oxydation est faite par attaque chimique isotrope au moyen d'une composition attaquant sélectivement l'oxyde mais non le nitrure ou le silicium. L'attaque isotrotrope fait que l'oxyde épais disparaît même sous les bords du nitrure. La durée de l'attaque est limitée à ce qui est nécessaire pour éliminer l'epaisseur d'oxyde de la couche 20, afin de ne pas graver trop loin latéralement l'oxyde mince de la couche 16. Il subsiste ainsi un surplomb de nitrure sur tout le pourtour des îlots de nitrure de silicium, ce surplomb correspondant à la pénétration de l'oxyde épais formé à l'retape précédente. On procède alors à un dépôt d'une deuxième couche de silicium polycristallin, 22 (figure 8) ; ce dépôt s'effectue à basse pression, en phase vapeur, par décomposition de silane, l'épaisseur du dépôt pouvant être de 2000 à 5000 angströms. Un tel mode de dépôt a la propriété d'être très couvrant et de remplir les anfractuosités de la surface exposée. En particulier, le silicium polycristallin vient combler le vide laissé sous le surplomb périphérique des îlots de nitrure, ce qui est essentiel pour la suite du procédé. On effectue alors une gravure du silicium polycristallin et cette gravure est de préférence anisotrope et dirigée verticalement de manière à éliminer une épaisseur constante de silicium polycristallin dans le sens vertical. La gravure peut être une gravure par plasma ou une gravure ionique réactive (dans laquelle la tranche semiconductrice est portée à un potentiel favorisant l'accélération de certains ions actifs). On élimine complètement le silicium polycristallin de la deuxième couche 22, ctest-à-dire qu'on met à nu le nitrure de silicium 18, mais on ne pousse pas la gravure jusqu'à éliminer la première couche de silicium polycristallin 14 en dehors des îlots de nitrure. On arrête au contraire la gravure presque immédiatement après avoir mis à nu le nitrure de manière qu'il subsiste une épaisseur de silicium polycristallin notable en dehors des îlots de nitrure ; il est souhaitable de faire une détection de fin d'attaque de la couche supérieure 22, par exemple en détectant l'apparition d'une modification de la pression dans l'enceinte de gravure, pour éviter que les gaz d'attaque du silicium polycris tallinne commencent à attaquer le nitrure. Si on arrête la gravure à ce moment, il subsistera une épaisseur de silicium qui est à peu près l'epaisseur initiale moins la moitié de ltépaisseur d'oxyde de la couche d'oxyde épais 20. Les épaisseurs des dépôts et oxydations doivent être choisies telles que l'epaisseur finale du silicium polycristallin soit suffisante pour permettre de constituer des électrodes conductrices. La figure 9 montre la tranche à la fin de la gravure anisotrope du silicium polycristallin. On effectue alors une oxydation thermique du silicium polycristallin (figure 10) ; il se forme une épaisseur d'oxyde 24 d'environ 500 à 1000 angströms dont la moitié environ se forme au sein du silicium y compris sous les bords des îlots de nitrure comme cela a été expliqué à propos de la figure 6. L'épaisseur de cet oxyde doit être sensiblement inférieure (de plusieurs centaines d'angströms) à l'épaisseur de l'oxyde épais 20 formé après masquage et gravure du nitrure. Elle doit être au moins égale à celle de l'oxyde 16. Il subsiste une épaisseur latérale de silicium polycristallin d'environ 250 à 700 Angströms en contact direct avec le nitrure sous les bords des îlots de nitrure, le nitrure protégeant ce silicium de l'oxydation. L'étape suivante (figure 11) consiste à éliminer le nitrure par attaque chimique ou de préférence par gravure au plasma, l'oxyde de silicium de la couche 24 protégeant le silicium polycristallin sur l'ensemble de la tranche. La tranche semiconductrice se présente alors avec une surface recouverte sur sa majeure partie d'oxyde de silicium (soit l'oxyde 24 de l'étape précédente, soit l'oxyde 16 qui était présent sous le nitrure), avec toutefois des régions de faible surface où le silicium polycristallin affleure. Chaque région d'affleurement 25 correspond à une bande étroite s'étendant sous le pourtour d'un îlot de nitrure. La largeur de ces bandes est de l'ordre de 250 à 700 Angströms comme on l'a dit à propos de la figure 10. La gravure du nitrure est suivie par une gravure du silicium polycristallin, l'oxyde de silicium jouant le rôle de masque sur l'ensemble de la surface excepté sur les régions 25. Cette gravure est impérativement anisotrope et verticale car il s'agit de creuser dans le silicium polycristallin un sillon 26 de très faible largeur (250 à 750 Angströms) sur une profondeur qui est la profondeur totale de la première couche 14 de silicium polycristallin (2000 à 5000 Angströms), afin que le sillon creusé pénètre jusqu'a la couche mince d'oxyde de silicium 12 et divise ainsi la couche de silicium polycristallin présente sur la tranche en îlots complètement isolés les uns des autres (figure 12). Les îlots créés sont des îlots 28 dans les zones qui comportaient un îlot de nitrure, et des îlots 30, de plus faible hauteur, dans les zones qui étaient dépourvues de nitrure après l'retape de masquage et gravure du nitrure. La différence de hauteur des îlots provient de ltépaisseur de silicium consomme par l'oxydation lors de la formation de la couche 20, à laquelle il faut ajouter éventuellemnt la gravure du silicium de la deuxième couche de silicium polycristallin 22, gravure qui a pu mordre sur la première couche 14. Les îlots 28 et 30 constituent les électrodes isolées rapprochées que l'on cherchait à créer ; l'intervalle qui les sépare n'est que de 250 à 700 Angströms environ et la largeur d'une électrode correspond sensiblement à ce que permet la résolution optique du masque unique servant à définir les îlots de nitrure, à savoir quelques microns selon la technologie employée. L'étape de la figure 13 consiste en un remplissage des sillons 26 par un isolant 32, ce qui peut se faire par oxydation thermique du silicium. Le procédé de fabrication peut se terminer par une ouverture de zones de contact dans l'oxyde recouvrant la partie supérieure des électrodes, suivie d'une métallisation, d'une gravure du métal et d'une passivation comme cela est classique. On peut encore noter que le silicium polycristallin peut être dope in site', lors de l'opération de dépôt, ou à la fin du procédé, à travers l'oxyde qui le recouvre. On peut prévoir aussi, immédiatement après gravure des sillons 26, une étape de dopage, par implantation ionique, pour modifier la concentration en impuretés du silicium monocristallin 10 au niveau des intervalles séparant les électrodes, afin de modifier éventuellement la configuration des champs électriques créés par effet de champ par les électrodes au niveau de ces intervalles. Le procédé selon l'invention aboutit ainsi à un type de circuit intégré nouveau dont les caractéristiques essentielles sont - qu'il comporte au moins deux électrodes de silicium polycristallin séparées, très rapprochées l'une de l'autre (moins de 1 micron et jusqu'à quelques centaines d'angströms) mais ne se chevauchant pas, contrairement au préjugé selon lequel il est né cessai ru que les électrodes se chevauchent pour que le circuit soit réalisable avec un intervalle très faible entre les électrodes rapprochées, - que ces électrodes reposent sur une couche isolante mince uniforme, - et que l'une des électrodes a, de manière inattendue, une épaisseur notablement plus élevée que l'electrode immédiatement adjacente, la différence d'épaisseur des électrodes étant de l'ordre de la largeur de l'intervalle entre les électrodes (et supérieure à cette largeur). REVENDICATIONS 1. Procédé de formation de circuits intégrés au silicium comportant des électrodes conductrices rapprochées (28,30) au dessus d'une couche isolante (12) formée sur une tranche semiconductrice, caractérisé par la succession d'opérations suivantes - dépôt d'une première couche de silicium polycristallin (14), - formation d'une couche superficielle (16) d'oxyde de silicium, - dépôt d'une couche de nitrure de silicium (18), - masquage et gravure de la couche de nitrure (18) pour former des îlots de nitrure de siliciumjséparés par des plages dépourvues de nitrure, - oxydation thermique du silicium polycristallin pendant une durée suffisante pour-former une couche d'oxyde épais (20) pénétrant partiellement sous les bords des îlots de nitrure, - désoxydation de la surface de la tranche par attaque chimique isotrope pour enlever l'oxyde épais y compris sous les bords des îlots de nitrure, - dépôt uniforme à basse pression d'une deuxième couche (22) de silicium polycristallin, - gravure du silicium polycristallin de manière à éliminer tout le silicium présent au dessus des îlots de nitrure, en conservant une épaisseur de silicium polycristallin en dehors des îlots de nitrure, - oxydation thermique du silicium polycristallin, - élimination du nitrure, - gravure anisotrope verticale du silicium polycristallin là où il affleure, pour creuser un sillon (26) s'étendant en profondeur jusqu'à la couche isolante (12) sur laquelle a été déposée la première couche de silicium polycristallin (14), - formation d'une couche isolante supplémentaire (32) rexaplissant le sillon creusé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première gravure du silicium polycristallin est une gravure anisotrope verticale, par exemple une gravure au plasma ou une gravure ionique réactive. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le sillon creusé est rempli d'oxyde de silicium lors d'une étape d'oxydation thermique. 4. Procédé selon l'une des revendications l à 3, caractérisé par le fait que l'oxyde thermique épais (20) formé après masquage et gravure du nitrure a une épaisseur de 1000 à 2000 Angstroms. 5. Procédé selon l'une des revendication l à 4, caractérisé par le fait que l'oxyde thermique formé avant élimination du nitrure a une épaisseur d'environ 300 à 1000 Angströms, cette épaisseur étant notablement plus faible que l'epaisseur de l'oxyde épais (20) formé après masquage et gravure du nitrure. 6. Circuit intégré au silicium, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins deux électrodes de silicium polycristallin très rapprochées l'une de l'autre mais ne se chevauchant pas, reposant sur une couche isolante mince uniforme, l'intervalle entre les électrodes étant inférieur à 1 micron, l'une des électrodes ayant une épaisseur notablement plus élevée que l'electrode rapprochée adjacente et la différence d'épaisseur des électrodes étant de l'ordre de la largeur de l'intervalle entre les électrodes.