Brevet FR2525031A1 — publié le 19831014

La présente invention concerne un dispositif à semi- conducteur dont un élément semi-conducteur est forme sur un substrat isolant de saphir, ou une substance équivalente, et son procédé de fabrication. On fabrique ordinairement de la manière suivante les dispositifs à semi-conducteur de ce type, comme par exemple un dispositif métal-oxyde-semi-conducteur/silicium sur saphir a canal n, ou MOS/SSS à canal n. Comme cela est représenté sur la figure LA, on commence par faire croître épitaxialement une pellicule de silicium 2 sur un substrat de saphir 1 Puis on forme successivement des motifs pel- liculaires 3 et 4 de Si 3 N 4 et Si O 2 par dép 6 t et traçage de pellicules de Si O 2 et Si 3 N 4 Ensuite, on incise anisotropiquement la pellicule de silicium 2 en utilisant une solution d'attaque de KOH et en se servant des motifs pelliculaires 3 et 4 de Si 3 N 4 et Si O 2 comme masque (comme on peut le voir sur la figure 1 B) Puis on forme une pellicule d'oxyde 5 et un flot pelliculaire de silicium 6 isolé par la pellicule d'oxyde 5 au moyen d'un traitement thermique à haute température et sous atmosphère d'oxygène en utilisant le motif pelliculaire 3 de Si 3 N 4 comme masque anti-oxydation (comme on peut le voir sur la figure 1 C). Ensuite, on retire les motifs pelliculaires 3 et 4 de Si 3 N 4 et Si O 2, et on forme une pellicule 7 d'oxyde de grille contiguë à la surface de l'llot pelliculaire de silicium 6 dans une région de formation de canal de celui-ci en implantant des ions d'impureté de type p, par exemple de bore, puis en traitant thermiquement le système (comme on peut le voir sur la figure 1 D). Ensuite, on fait déposer une pellicule de silicium polycristallin dopé au phosphore de façon à couvrir toute la surface, puis on effectue un traçage sur celle-ci pour former une électrode de grille 8 (comme on peut le voir sur la figure 1 E) De plus, on forme des régions de source 9 et de drain 10 de type n+ par implantation ionique d'arsenic en utilisant comme masque l'électrode de grille 8 et la pellicule d'oxyde 5, avec activation ultérieure (comme on peut le voir sur la figure 1 E) Ensuite, on fait successivement déposer une pellicule 11 de Si O 2 en dépôt de vapeur chimique (DVC) et une pellicule 12 de verre de siliciure de phosphore-bore (VSPB) de façon à couvrir bute la surface, la pellicule 12 de VSPB subis- sant ultérieurement une fusion pour s'aplanir sur la surface On forme ensuite des trous de contact 13 de façon à traverser la pellicule 12 de VSPB, la pellicule 11 de Si O en DVC et la pellicule 7 d'oxyde de grille On fait ensuite déposer une pellicule d'alu- minium de façon à recouvrir toute la surface, puis on effectue un traçage afin de former des fils conducteurs 14 et 15 d'aluminium remplissant les trous de contact 13 et respectivement connectés aux régions de source 9 et de drain 10 (comme on peut le voir sur la figure 1 F). Toutefois, lorsque le dispositif à semi-conducteur est formé de cette manière, la région d'interface entre le substrat de saphir 1 et la pellicule de silicium 2 (c'est-I-dire l'îlot pel- liculaire 6 de silicium) présente une structure cristalline impar- faite, si bien qu'il y a inversion entraînant le courant dit de canal inverse, lequel passe entre les régions de source 9 et de drain 10 De plus, il y a réduction de la mobilité On suppose que la structure cristalline imparfaite résulte principalement des trois causes suivantes. ( 1) Défaut d'adaptation du cristal. Le plan ( 100) de la pellicule de silicium 2 croît sur le plan (T 102) du substrat de saphir 1, et il résulte de cette différence des structures cristallines un défaut d'adaptation d'environ 12,5 %. ( 2) Effets du substrat de saphir. On fait croître épitaxialement la pellicule de silicium 2 sur le substrat de saphir 1 en utilisant du gaz silane (gaz Si H 4), de sorte qu'il se produit les réactions secondaires suivantes 2 Si + A 23 > A 120 + 25 i O et 2 + A 203 > A 120 + 2 H 20. La réaction principale est affectée négativement par ces réactions secondaires. ( 3) Contraintes. Le coefficient de dilatation thermique du substrat de saphir 1 est approximativement deux fois plus élevé que celui de la pellicule de silicium 2 Par conséquent, lorsque la pastille de SSS se refroidit rapidement depuis une température élevée, le substrat de saphir 1 se comprime, ce qui produit des défauts dans la pelli- cule de silicium 2. Pour surmonter cette difficulté, il a été proposé de faire crottre épitaxialement une pellicule de silicium monocristallin sur le substrat de saphir 1 et de former une pellicule d'oxyde 17 dans le voisinage de l'interface entre le substrat 1 et la pellicule de silicium, comme le montre la figure 2, par implantation ionique d'oxygène sous une tension d'accélération de 150 ke V et pour un dosage de 1,2 x 10 cm par exemple, puis de traiter thermiquement le système à 1 150 'C pendant 2 h La pastille de SSS ainsi préparée est utilisée pour fabriquer le dispositif MOS/SSS à canal N de la manière ci-dessus décrite Dans ce cas, il est possible de réduire dans une certaine mesure le courant de fuite de drain Toutefois, il n'est pas possible d'éliminer efficacement Al 20 et les autres produits des réactions secondaires ci-dessus notés. Il a également été proposé d'effectuer une implan- tation ionique de bore dans l'îlot pelliculaire de silicium en vue de la commande de seuil et, également, d'effectuer une implantation ionique de bore de manière qu'il existe un pic dans l'interface entre le substrat de saphir et l'îlot pelliculaire de silicium, afin d'empêcher l'inversion au voisinage de l'interface Toutefois, il existe une demande croissante de la part des utilisateurs pour réduire l'épaisseur de la pellicule de silicium, ce qui pose des problèmes en ce qui concerne la commande du profil d'impureté entre la surface de la pellicule de silicium et son interface avec le substrat de saphir En outre, puisqu'il est effectué deux fois une implantation ionique, il est plus probable que des défauts appa- raissent. Un but de l'invention est de proposer un dispositif à semi-conducteur, plus particulièrement un dispositif à semi- conducteur dans lequel un élément semi-conducteur est forme sur un substrat isolant, comme par exemple un dispositif MOS/SSS, qui permet une réduction du courant de fuite de drain et une amélioration de la mobilité, ainsi que son procédé de fabrication. Une première particularité de l'invention réside en un dispositif à semiconducteur qui comprend un substrat isolant, une région d'élément semiconducteur formée sur le substrat et une couche isolante formée au voisinage de l'interface entre le substrat et la région d'élément semiconducteur, et o la couche isolante comprend de l'yttrium ou un élément du type lanthanide. Une deuxième particularité de l'invention réside en un procédé de fabrication d'un dispositif à semi-conducteur dans lequel un élément semiconducteur est formé sur un substrat isolant, qui comprend les opérations consistant à former une pellicule semi- conductrice sur un substrat isolant, implanter de l'yttrium et de l'oxygène ou un élément du type lanthanide et de l'oxygène dans le voisinage de l'interface entre le substrat et la pellicule semi- conductrice et former une couche isolante contenant de l'yttrium ou un élément du type lanthanide dans le voisinage de l'interface. Fondamentalement, selon l'invention, on fait crottre une pellicule semiconductrice sur un substrat isolant, on effectue une implantation ionique d'yttrium et d'oxygène ou d'un élément du type lanthanide et d'oxygène dans le voisinage de l'interface entre le substrat et la pellicule semi-conductrice, puis on traite thermi- quement le système, afin d'améliorer l'état instable du voisinage de l'interface entre le substrat isolant et la couche semi-conduc- trice, lequel état produit le courant de fuite de drain et la réduction de mobilité. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexes, parmi lesquels les figures LA à 1 F sont des vues en coupe montrant un procédé de fabrication d'un dispositif MOS/SSS selon la technique antérieure; la figure 2 est une vue en coupe montrant un dispositif MOS/SSS selon la technique antérieure; les figures 3 A à 3 E sont des vues en coupe montrant un procédd de fabrication d'un dispositif MOS/SSS constituant un mode de réalisation de l'invention; et les figures 4 et 5 sont des graphes montrant les caractéristiques IDS-VGS du dispositif MOS/SSS selon l'invention et selon la technique antérieure. On va maintenant décrire un exemple de fabrication d'un dispositif MOS/SSS à canal N selon l'invention. ( 1) On fait crottre épitaxialement une pellicule de silicium 22, présentant une orientation cristalline suivant le plan ( 100), jusqu'à une épaisseur de 0,6,um sur un substrat de saphir (a-A 1203) 21, présentant une orientation cristalline suivant le plan ( 1102) et une épaisseur de 600/um, -en faisant appel & la pyro- lyse du silane (Si H 4), comme cela est indiqué sur la figure 3 A Puis, on effectue une implantation ionique d'yttrium (Y) au travers des pellicules 24 et 23 de Si 3 N 4 et Si O 2 jusque dans la pellicule de silicium 22 en utilisant du chlorure d'yttrium (Y C 13) comme source d'ion pour une énergie d'accélération commandée de façon que la concentration soit 10 7 cm De plus, on effectue une implantation ionique d'oxygène avec une énergie d'accélération ajustée de la même manière que pour l'implantation ionique d'yttrium Ensuite, on forme successivement, sur la pellicule de silicium 22, une pellicule 23 de Si O 2 d'une épaisseur de 600 A et une pellicule 24 de Si 3 N 4 d'une épaisseur de 4 500 A. ( 2) On effectue ensuite un traçage sur les pellicules 24 et 23 de Si 3 N 4 et Si O au moyen de techniques d'incision photo- graphiques de façon à former des motifs pelliculaires 25 et 26 de Si 3 N 4 et Si O 2 (comme on peut le voir sur la figure 3 B) On incise ensuite la pellicule de silicium 22 d'environ 0,3/um en utilisant comme masque les motifs pelliculaires 25 et 26 de Si 3 N 4 et Si O 2. ( 3) On forme ensuite une pellicule d'oxyde 27 à la place de la partie incisée de la pellicule de silicium 22 en réalisant une oxydation thermique qui utilise comme masque anti- oxydation le motif pelliculaire 25 de Si 3 N 4 sous une température de 900 'C pendant 10 h (comme on peut le voir sur la figure 3 C). On retire ensuite successivement les motifs pelliculaires 25 et 26 de Si 3 N 4 et Si O 2, puis on forme une pellicule d'oxyde de grille 29 d'une épaisseur de 500 A de façon à couvrir l'îlot pelliculaire de silicium 28 isolé par la pellicule d'oxyde 27 en effectuant une nouvelle oxydation thermique à 950 C pendant 1 h Au cours des deux traitements thermiques réalisés pour former respectivement la pellicule d'oxyde 27 et la pellicule d'oxyde de grille 28, l'yttrium et l'oxygène qui ont précédemment été implantés réagissent avec l'aluminium et l'oxygène du substrat de saphir 21, de sorte qu'il est formé une pellicule isolante 30 contenant de l'yttrium. Bien que l'on n'en ait pas encore clairement compris l'explication, il semble que, à une température voisine de 1 000 C, l'oxyde d'yttrium (Y 203) et l'oxyde d'aluminium (Al 203) se transforment en des composés définis en proportion comme 2 Y 203 A 1203 3 Y 203 5 A 12 3 et 5 A 1203 + a-A 12 O et en des composés non définis en proportion comme Yx Aly O (ou x, y et z sont des entiers positifs), et ces composés s'introduisent dans la région de la pellicule de silicium amorphe pour former la pellicule isolante 30. ( 4) Ensuite, on effectue une implantation ionique sélective d'une impureté de type p, par exemple du bore, au travers de la pellicule d'oxyde de grille 29 jusque dans une région de formation de canal se trouvant dans l'îlot 23 de couche de silicium, laquelle impureté est ensuite activée Puis on fait déposer sur toute la surface du système une pellicule de silicium polycristallin dopé au phosphore et on lui fait subir un traçage de manière à former une électrode de grille 31 (comme on peut le voir sur la figure 3 D). Ensuite, on effectue une implantation ionique sélective d'une impureté de type n par exemple l'arsenic, au travers de la pelli- cule d'oxyde de grille 29 jusque dans l'îlot 28 de pellicule de silicium en utilisant l'électrode de grille 31 comme masque, après quoi l'impureté est activée, ceci ayant pour effet de former des régions de source 32 et de drain 33 de type N (comme on peut le voir sur la figure 3 D). On fait ensuite successivement déposer sur toute la surface de la pastille une pellicule 34 de Si O 2 en DVC et une pel- licule 35 de VSPB, après quoi on aplanit la pellicule 35 de VSPB en la faisant fondre (comme on peut le voir sur la figure 3 E) On forme alors des trous de contact qui pénètrent au travers de la pellicule 35 de VSPB, de la pellicule 34 de Si O 2 en DVC et de la pellicule 29 d'oxyde de grille On fait ensuite déposer une pelli- cule d'aluminium sur toute la surface et on effectue un traçage de manière à former des fils conducteurs d'aluminium 37 et 38 qui remplissent les trous de contact 36 et qui sont respectivement connectés aux régions de source 32 et de 41 rain 33 Enfin, on fait déposer une pellicule 39 de VSG sur toute la surface, un dispositif MOS/SSS à canal N étant ainsi produit. On a examiné le courant de drain (I DS) du dispositif MOS/SSS à canal N obtenu de la manière ci-dessus indiquée (la longueur du canal étant fixée à 2/um et sa largeur à 100/um) en appliquant une tension de + 5 volts à la région de drain 33 et en faisant varier la tension (VGS) appliquée à l'électrode de grille 31 La figure 4 montre les caractéristiques IDS-VGS du dispositif MOS/SSS selon l'invention (courbe A) et d'un dispositif MOS/SSS à canal N ne comportant aucune couche isolante dans le voisinage de l'interface entre le substrat de saphir et la couche isolante (courbe B) On voit que, selon l'invention, on peut réduire fortement le courant de fuite de drain, à savoir d'environ 2 positions décimales, par comparaison avec la technique antérieure. La matière servant à l'implantation ionique en mnme temps que l'oxygène ne se limite pas à l'yttrium, et on peut obtenir des effets analogues avec un élément du type lanthanide possédant des caractéristiques chimiques analogues, à savoir lanthane, cérium, praséodyme, néodyme, samarium, europium, gadolinium, terbium, thorium, ytterbium ou lutécium. La figure 5 montre la caractéristique IDS-VGS d'un dispositif MOS/SSS à canal N qui a été obtenu par le même procédé que le mode de réalisation des figures 3 A à 3 E, à l'exception du fait que l'on a utilisé du chlorure de lanthane (La Cl 3) comme source d'ion à la place de YC 13, en appliquant une tension de + 5 volts à la région de drain 33 Sur la figure, la courbe A représente la caractéristique du dispositif MOS/SSS selon l'invention, tandis que la courbe B représente la caractéristique d'un dispositif MOS/SSS qui ne comporte pas de couche isolante formée au voisinage de l'interface entre le substrat isolant et l'îlot pelliculaire de silicium Dans ce cas, comme dans celui de la figure 4, il est possible de réduire IDS d'environ deux positions décimales par comparaison avec la caractéristique de la technique antérieure. On peut fixer l'énergie d'accélération et le dosage de manière que la concentration en yttrium ou en un métal du type lanthanide soit comprise entre 10 et 1022 cm On peut fixer la température du traitement thermique en dessous de 1 400 C, mais cette température doit être suffisamment élevée pour former l'iso- lant, à savoir au-dessus de 900 'C environ. L'invention n'est pas limitée à la fabrication des dispositifs MOS/SSS à canal n, mais s'applique également aux dispositifs MOS/SSS à canal p et aux dispositifs CMOS/SSS. Comme cela vient d'être décrit, il est possible, selon l'invention, de produire un dispositif à semi-conducteur tel qu'un dispositif MOS/SSS permettant une réduction du courant de fuite de drain et améliorant la mobilité. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S 1 Dispositif à semi-conducteur comprenant un substrat isolant ( 21); une région ( 28) d'élément semi-conducteur formée sur ledit substrat isolant ( 21); et une couche isolante formée dans le voisinage de l'interface entre le substrat et la région d'élément semi-conducteur; caractéris E en ce que ladite couche isolante ( 30) contient une couche d'yttrium ou une couche d'un lanthanide. 2 Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit substrat isolant ( 21) est du saphir. 3 Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un transistor MOS est formé dans ladite région ( 28) d'élément semi-conducteur. 4 Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un CMOS est formé dans ladite région ( 28) d'élément semi-conducteur. Dispositif à semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration en yttrium ou en lanthanide est comprise entre 1017 et 1022 cm 3. 6 Procédé de fabrication d'un dispositif à semi-conduc- teur dans lequel un élément semi-conducteur est formé sur un substrat isolant, comprenant les opérations suivantes: former une pellicule semiconductrice ( 22) sur un substrat isolant ( 21); et former une couche isolante dans le voisinage de l'interface entre ledit substrat ( 21) et ladite couche isolante ( 22); caractérisé en ce que l'opération consistant à former ladite couche isolante ( 30) consiste à effectuer une implantation ionique d'yttrium et d'oxygène, ou d'un métal du type lanthanide et d'oxygène, dans le voisinage dudit substrat et de ladite pellicule semi-conductrice ( 22);et traiter thermiquement le système résultant de manière à former une couche isolante contenant de l'yttrium ou un métal du type lanthanide comme ladite couche isolante ( 30) au voisinage de ladite interface. 7 Procédé selon la revendication 6, caractdrisé en ce que la température du traitement thermique est comprise entre 900 et 1 4000 C. 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on effectue ladite implantation ionique dans des conditions d'édnergie d'accélération et de dosage telles que la concentration en yttrium ou en lanthanide est comprise entre 1017 et 1022 cm 3 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on effectue ladite implantation ionique avec une accélération fixée A 150 ke V et un dosage fixe à 1,2 x 1018 cm 2.