Brevet FR2533371A1 — publié le 19840323

i STRUCTURE DE GRILLE POUR CIRCUIT INTEGRE COMPORTANT DES ELEMENTS DU TYPE GRILLE- ISOLANT-SEMICONDUCTEUR ET PROCEDE DE REALISATION D'UN CIRCUIT INTEGRE UTILISANT UNE TELLE STRUCTURE La présente invention concerne une nouvelle structure de grille pour circuit intégré comportant des éléments du type grille- isolant-semiconducteur ainsi qu'un procédé de réalisation d'un cir- cuit intégré utilisant une telle structure. Comme circuits utilisant le type d'éléments mentionnés ci- dessus, on connait en particulier les dispositifs à transfert de charges ainsi, que des circuits utilisant des éléments du type -MOS (metal-oxydesemiconducteur) De tels circuits sont actuellement bien connus de l'homme de métier et sont décrits, en particulier, dans l'ouvrage de C H SEQUIN et M F TOMPSETT intitulé "charge transfer devices" ou dans l'article de J L BERGER et al "Les dispositifs à transfert de charge'l paru dans le Revue Technique THOMSON-CSF de Mars 1980 Dans les circuits ci-dessus, les grilles sont réalisées en un matériau conducteur qui peut être soit un métal tel que l'aluminium soit un métalloide tel que du silicium poly- cristallin fortement dopé Or les techniques de fabrication des circuits intégrés comportant des éléments du type grille-isolant- semiconducteur dans lesquels la grille est notamment formée d'une couche de silicium polycristallin ne permettent pas la réalisation de grille de faible épaisseur. Ce problème est particulièrement génant dans le cas des dispositifs photosensibles semiconducteurs dans lesquels notamment les éléments photosensibles ou photodétecteurs sont du type grille- isolant-semiconducteur, tels que, en particulier, les dispositifs à transfert de charges dans lesquels le rayonnement lumineux est envoyé sur des registres à transfert de charges et les dispositifs photosensibles du type C LD (Charge Injection Devices) constitués de deux capacités MOS couplées par une grille dans lesquels l'une des capacités est soumise au rayonnement lumineux à détecter En effet, dans les dispositifs de ce type, lorsque l'éclairement est réalisé sur la 'face avant du dispositif photosensible, les photons ont à traverser la grille et les isolants de la capacité formant le photo- détecteur avant d'arriver dans le matériau semiconducteur pour y créer des paires électron-trou Les couches ci-dessus doivent donc être réalisées en des matériaux transparents aux rayonnements à intégrer Ainsi, dans le cas des circuits intégrés dont le substrat est en silicium, la grille est en général réalisée en silicium polycristallin I O semi- transparent Or, comme mentionné ci-dessus, il est difficile, en particulier avec un matériau de ce type, de réaliser une grille de faible épaisseur Il en résulte donc une atténuation importante des rayons lumineux traversant la grille, en particulier pour les lon- gueurs d'onde bleues. La présente invention a pour but de remédier à ces incon- vénients en fournissant une nouvelle structure de grille qui présente une épaisseur plus faible que les grilles actuellement utilisées, ce qui permet une densité d'intégration améliorée avec tous les avan- tages en découlant. La présente invention a aussi pour but de fournir une nouvelle structure de grille qui forme une couche isolante adaptée entre l'air et la grille proprement dite. D'autre part, cette nouvelle structure de grille présente du fait de sa faible épaisseur une meilleure transparence Ainsi elle est particulièrement adaptée aux dispositifs photosensibles semiconduc- teurs comportant des photodétecteurs du type grille-isolant-semi- conducteur. En conséquence la présente invention a pour objet une struc- ture de grille pour circuit intégré comportant des éléments du type grille-isolant-semiconducteur caractérisée en ce que la grille est constituée par une couche mince d'un matériau conducteur trans- parent ou semi-transparent recouverte d'une couche d'un matériau isolant compatible présentant un indice de réfraction supérieur à 1,j S D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: les figures la à le représentent des vues en coupe des principales étapes de réalisation d'un circuit intégré comportant une structure de grille conforme à l'art antérieur; les figures 2 a à 2 f représentent des vues en coupe des principales étapes de réalisation d'un circuit intégré comportant une structure de grille conforme à la présente invention. Dans les dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments mais pour des raisons de clarté les cotes et proportions ne sont pas respectées De plus, on a représenté comme circuit intégré un dispositif photosensible à transfert de charges du type C C D, mais il est évident pour l'homme de l'art que la présente invention I 5 peut aussi s'appliquer à la fabrication d'autres circuits intégrés comportant des éléments du type grille-isolant-semiconducteur, photosensibles ou non. On rappelera que, de manière connue, un dispositif à transfert de charge du type C C D est constitué de plusieurs ensembles de capacités M I S (Métal-Isolant-Semiconducteur) juxtaposées formant des capacités de stockage et de transfert. Conformément au procédé de l'art antérieur décrit à titre illustratif, on réalise sur un substrat semiconducteur 1 en silicium de type P par exemple, une première couche mince et continue 2 d'un matériau isolant tel que de l'oxyde de silicium (Si O 2), par exemple. Cette couche d'oxyde de silicium est recouverte d'une deu- xième couche 3 d'un matériau isolant qui n'est pas attaquable par les mêmes agents que la couche 2 et qui peut être constitué par exemple par du nitrure de silicium -(Si 3 N 4), si la couche 2 est réalisée en oxyde de silicium De manière typique et pour favoriser la transmission des photons vers le substrat, l'épaisseur des couches o. 2 et 3 est choisie de manière à être d'environ 800 A. On réalise ensuite, les zones d'isolement séparant les divers canaux de transfert du dispositif photosensible Pour cela, la pla- quette de la figure la est recouverte d'une laque photosensible puis on délimite par photolithogravure les zones d'isolement et on élimine le nitrure de silicium sur ces zones On réalise alors les zones d'isolement de différentes manières, soit en utilisant la technologie LOCOS par croissance d'oxyde à partir du substrat, soit par une diffusion d'impuretés du même type que celles du substrat avec une concentration d'impuretés supérieure à 1019 Atomeslcm 3 ou bien par dépôt d'une couche relativement épaisse d'un matériau isolant tel que de l'oxyde de silicium. Io Ensuite à l'aide d'un masque, on réalise par photolithogravure la délimitation du canal de transfert et on effectue alors un dopage en impuretés pour réaliser un canal enterré dans le cas d'un transfert en volume Le transfert en volume est réalisé par une implantation d'impuretés de type opposé à celui du substrat, à savoir d'impuretés N à faible concentration. Une fois la plaquette dans l'état représenté à la figure lb par exemple, on réalise tout d'abord le premier niveau d'électrodes ou grilles dans le cas d'un dispositif à transfert de charges à deux niveaux d'électrodes On effectue donc sur toute la surface de la o plaquette, le dépôt d'une couche épaisse de 3000 à 5000 A de silicium polycristallin convenablement dopé. On délimite et grave par la technique habituelle de photo- lithogravure la couche de silicium polycrista Ilin de manière à réaliser le premier niveau d'électrodes Dans de nombreux cas, il est nécessaire d'effectuer une double gravure de la couche de silicium polycristallin afin de réparer les court-circuits qui se sont produits lors de la première gravure Toutefois cette double gravure a pour principal inconvénient de dégrader la couche isolante Une fois le premier niveau d'électrodes réalisé, on peut réaliser un dopage en impuretés pour obtenir des moyens de dissymétrie De tels moyens de dissymétrie sont utilisés dans le cas d'un transfert unilatéral et réalisés par une implantation d'impuretés de même ty'pe que le substrat, localisée dans les intervalles formées par les capacités de transfert entre deux capacités de stockage Comme représente à la figure 1 c, il est possible de réaliser un canal enterré 4 comportant des moyens de dissymétrie 5 Ces moyens de dissymétrie obtenus par une implantation P de compensation donne un dopage N Toutefois, il est aussi possible de réaliser le transfert unilatéral à l'aide d'une surépaisseur d'oxyde lors de la réalisation du second niveau d'élec- trodes On réalise alors l'oxydation thermique du premier niveau de silicium polycristallin et l'on obtient le circuit représenté à la figure lc présentant sur les électrodes 6 une couche 7 d'oxyde de silicium. On réalise ensuite le deuxième niveau d'électrodes Pour cela, on dépose et on grave, en utilisant si nécessaire la technique de la double gravure, une couche épaisse de silicium polycristallin conve- nable*ment dopé de manière à délimiter le deuxième niveau d'élec- trodes 8 On oxyde alors par oxydation thermique le silicium polycristallin et l'on obtient le circuit représenté à la figure Id. On réalise ensuite de manière habituelle, en utilisant la technique de la photolithogravure, l'implantation des diodes, en particulier des diodes de lecture. Puis on réalise de manière classique le dépôt d'une couche d'oxyde pyrolytique de 5000 A à 1 pm On ouvre ensuite les contacts. On dépose alors une couche d'aluminium que l'on grave en vue de réaliser les interconnexions 9 La plaquette est alors recouverte d'une couche de passivation 10 que l'on grave pour réaliser les plots de soudure Il et la zone photosensible 12 comme représenté à 'la figure -le. On décrira maintenant en se référant à un circuit intégré du même type que celui décrit avec référence aux figures la à le, le procédé de réalisation de la structure de grille de la présente invention Les étapes à suivre jusqu'à la réalisation des implan- tations d'impuretés pour le canal enterré sont semblables dans les deux procédés En conséquence, elles ne seront pas décrites à nouveau et la figure 2 a représente une plaquette semblable à celle de la figure lb On réalise donc sur la plaquette de la figure 2 a un premier niveau d'électrodes présentant une structure conforme à la présente invention Pour se faire, on dépose une couche mince 13 de 1000 à 3000 A de silicium polycristallin convenablement dopé que l'on recouvre d'une couche 14 de 800 à 1000 A de nitrure de silicium. L'épaisseur de la couche de silicium polycristallin a été choisie de manière à présenter une résistance mécanique suffisante tout en ayant une bonne transparence, en particulier aux longueurs d'onde bleues D'autre part, le nitrure de silicium qui présente un indice de réfraction de 2 est utilisé avec le silicium polycristallin de manière à réaliser une bonne adaptation d'indice Eventuellement, on dépose sur la couche de nitrure de silicium soit une couche 15 de silicium I O polycristallin de 1000 A à 1 um d'épaisseur que l'on oxyde jusqu'à transformation en oxyde de silicium soit une couche d'oxyde de silicium Dans les deux cas, Pépaisseur de cette couche d'oxyde est parfaitement délimitée Il est alors possible de contrôler l'épaisseur de la couche d'oxyde ainsi obtenue et en conséquence la capacité I 5 créée entre les électrodes contigfes Ensuite on délimite et 'on grave par les techniques habituelles le premier niveau d'électrodes 6 Dans le cas d'une seule gravure, on ouvre à l'aide d'un masque les trois couches formées d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium et de silicium polycristallin et l'on obtient le circuit représenté à la figure 2 c Dans le cas o une double gravure est nécessaire, on attaque tout d'abord uniquement la couche d'oxyde de silicium à l'aide d'un premier masque On réalise ensuite une deuxième délimi- tation à l'aide d'un second masque et on élimine alors les trois couches d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium et de silicium polycristallin comme représenté aux figures 2 b et 2 c. On effectue alors l'oxydation thermique du silicium poly- cristallin Le silicium polycristallin étant recouvert d'une couche de nitrure de silicium et d'oxyde de silicium, on obtient simplement une oxydation latérale 16 de la couche de silicium polycristallin. Pour réaliser le deuxième niveau d'électrodes, on dépose à nouveau une couche mince de silicium polycristallin que l'on re- couvre d'une couche de nitrure de silicium Dans ce cas, la couche d'oxyde qui sert à isoler les deux niveaux d'électrodes n'a plus de raison d'être On délimite et on grave, par attaque de la couche de nitrure de silicium et de silicium polycristallin, le deuxième niveau d'électrodes 8 comme représenté à la figure 2 d Puis on élimine la couche d'oxyde 15 qui recouvre le premier niveau d'électrodes. Cette élimination peut s'effectuer par attaque chimique de la couche d'oxyde de silicium Ensuite, on effectue l'oxydation ther- mique de la plaquette et l'on transforme la partie latérale 17 de la couche de silicium polycristallin des électrodes 8 de second niveau en oxyde de silicium (voir figure 2 e) Sur la plaquette ainsi obtenue, on réalise les mêmes opérations que mentionnées dans le mode de I O réalisation de l'art antérieur, pour obtenir la délimitation des contacts, des plots de soudure, de la zone photosensible, etc et on obtient en définitive la plaquette représentée à la figure 2 f. La structure de grille obtenue par le procédé décrit ci-dessus présente de nombreux avantages tels que: I 5 la possibilité de réaliser les électrodes avec une couche mince de silicium polycristallin convenablement dopé ce qui permet d'améliorer la transparence de l'électrode, ceci etant particu- lièrement avantageux pour les éléments phptosensibles du type grille-isolant-semiconducteur des dispositifs photosensibles à trans- 2 ôl fert de charges; l'utilisation d'une couche de nitrure de silicium qui présente un indice de réfraction de 2 permettant de réaliser une meilleure adaptation d'indice entre les diverses couches; la possibilité de réduire les couplages entre électrodes ou grilles par réduction des capacités parasites ce qui entraîne une augmentation de la vitesse de fonctionnement; l'augmentation de la densité d'intégration du fait des épais- seurs réduites. -La possibilité d'éliminer, par attaque chimique, par exemple, les oxydes déposés avant réalisation des contacts ou oxydes de passivation de l'aluminium, le nitrure de silicium constituant alors une couche d'arrêt avec une fonction de passivation vis à vis des zones actives et une fonction d'adaptation d'indice vis à vis des zones sensibles. La présente invention à été décrite en se, référant à un substrat en silicium et à une grille en silicium polycristallin, toutefois il est évident pour l'homme de l'art que l'on pourrait utiliser un substrat en un autre semiconducteur tel que l'arseniure de gallium et des grilles en oxydes métalliques tels que le bioxyde d'étain Sn O 2. La présente invention s'applique plus particulièrement aux dipositifs photosensibles fonctionnant avec des rayonnements visi- bles, proche de l'infrarou geou des rayons X de l'ordre de 10 A Ces rayons sont fortement absorbés par les couches isolantes et la structure de la présente invention comportant une couche de Si 3 N 4 de 800 A au lieu d'une couche de Si O 2 de I As m est donc particulièrement favorable. REVENDICATIONS 1 Une structure de grille pour circuit intégré comportant des éléments du type grille-isolant-semiconducteur caractérisée en ce que la grille est constituée par une couche mince ( 13) d'un matériau conducteur transparent ou semi-transparent recouverte d'une couche ( 14) d'un matériau isolant compatible présentant un indice de réfraction supérieur à 1,5. 2 Une structure de grille selon la revendication 1, carac- térisée en ce que le matériau conducteur transparent ou semi- transparent est du silicium polycristallin convenablement dopé ou un oxyde métallique tel que Sn O 2. 3 Une structure de grille selon la revendication 2 caractérisée en ce que l'épaisseur du matériau conducteur est comprise entre 1000 et 3000 A. 4 Une structure de grille selon la revendication 1 caractérisée en ce que le matériau isolant est du nitrure de silicium. Une structure de grille selon la revendication 4 caractérisée en ce que l'épaisseur du matériau isolant est comprise entre 800 et o 1000 A. 6 Une structure de grille selon l'une quelconque des revendi- cations de 1 à 5 caractérisée en ce que, dans le cas des circuits intégrés à plusieurs niveaux de grille, l'épaisseur du matériau isolant est règlable de manière à optimiser les capacités parasites. 7 Une structure de grille selon l'unequelconque des revendi- cations 1 à 6 caractérisée en ce que le matériau isolant est utilisé comme couche de passivation. 8.Un procédé de réalisation d'une structure de grille pour circuit intégré comportant des éléments du type grille-isolant- semiconducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que, après avoir réalisé de manière habituelle dans le circuit intégré les zones d'isolement et les implantations d'impuretés, on dépose sur la surface supérieure du circuit une couche ( 13) d'un matériau conducteur transparent ou semi-trans- parent, on recouvre cette couche d'une couche ( 14) d'un matériau isolant compatible présentant un indice de réfraction supérieur à 1,5 puis on délimite et grave par la technique habituelle un niveau de grilles ou électrodes. 9 Un procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que, avant de graver les grilles ou électrodes, on dépose sur la couche ( 14) de matériau isolant compatible une couche d'oxyde ( 15). Un procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que, avant de graver les grilles ou électrodes, on dépose sur la couche ( 14) de matériau isolant compatible une couche de silicium poly- cristallin que l'on soumet à une oxydation thermique jusqu'à trans- formation complète en oxyde de silicium ( 15). 11 Un procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10 caractérisé en ce qu'on effectue tout d'abord une première gravure des grilles ou électrodes en attaquant uniquement la couche d'oxyde ( 15) puis on effectue une deuxième gravure des grilles ou électrodes en utilisant la technique habituelle de photolithogravure.