Brevet FR2524201A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne un procédé de fabrication de dispositifs semi-conducteurs du type à empilement ou multicouche, généralement connus sous le nom de circuits intégrés tridimen- sionnels. ' A 4 u,cours de ces quelques dernières années, un certain nombre de suggestions ont été faites, concernant la manière de former un monocristal du type multicouche pour un dispositif semiconducteur du type multicouche On passera ci-après en revue ces techniques en mettant l'accent sur les problèmes qu'elles posent. Dans le procédé de recuit par faisceau pour îlot polycris- tallin, un flot semiconducteur polycristallin est formé sur un substrat isolant d'une matière telle que Si 02 ou Si 3 N 4 par une technique usuelle d'isolement, puis un flot de monocristal ou de gros grains cristallins est formé par le procédé de recuit-par. faisceau, au moyen d'un laser à impulsions ou d'un faisceau élec- trbnique L'inconvénient de ce procédé est que, bien qu'il soit obtenu un flot monocristallin extrêmement satisfaisant, il est impossible d'une part de contrôler l'orientation cristalline et le fait, d'autre part, qu'un germe cristallin se forme de manière aléatoire sur la périphérie de l'ilot a de fortes chances de pro- duire, non pas un flot monocristallin, mais de multiples lots cristallins sous forme de gros grains cristallins, avec cette conséquence qu'un grand flot cristallin n'est pas susceptible de se former. D'autre part, le procédé graphique-épitaxial a été conçu pour former une pellicule de monocristal sur un substrat amorphe isolant par la technique de recuit par faisceau Une rainure très fine, correspondant à la manière de croltre ou à la symétrie du eristal est formée par avance sur le substrat amorphe, de manière à contrôler l'orientation cristalline qui ne peut pas être con- tr 8 lée par le procédé précédent Ce procédé a été appliqué avec un certain succès à la production synthétique d'un monocristal à partir d'une solution aqueuse de K Xl, mais sans succès avec une pellicule semiconductrice telle que Ai Cette technique n'a pas encore atteint le stade de l'application pratique, car l'évalua- tion des propriétés de l'élément semlconducteur et l'analyse des défauts du cristal, une limite de granulation à petit angle et une hémitropie sont insuffisantes De plus, une très grande préci- sion est nécessaire dans la formation d'une rainure, au point que même le procédé sub-micronique de la technique VD 58 I actuelle pré- sente un certain nombre de problèmes à résoudre. D'après le procédé d'épitaxie par apport ou procédé de recuit par faisceau avec germe, la croissance du cristal se produit à partir d'une ouverture du substrat semiconducteur servant de germe cristallin et, en conséquence, comme on le sait, l'orientation du cristal est contr 8 lée, tandis qu'il est produit en même temps une cristallinité supérieure, dans une certaine partie, à celle qui est obtenue dans le procédé de recuit par faisceau précité pour un flot de polycristal Mais du fait que la croissance du cristal se produit sur la périphérie de l'ouverture, le monocristal croit de manière aléatoire sous forme de chrysanthème, ce qui rend impossible d'obtenir un monocristal parfait et qu'une imperfection ou irrégularité du cristal a de fortes chances de se produire lorsque le cristal croît sur la pellicule isolante autour de l'ou- verture Cette technique ne peut pas être utilisée dans une appli- cation à grande éurfaëe La présente invention a donc pour but de fournir un procédé nouveau de fabrication d'un dispositif semiconducteur multicouche pour circuits intégrés tridimensionnels,-permettant de former, par application d'une technique qui peut être considérée comme rentrant dans la catégorie des procédés de recuit par faisceau avec germe,-une couche cristallisée sur la surface entière d'un substrat semiconducteur, sans les inconvénients évoqués ci-dessus. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé avec lequel il soit possible de former des couchés cris- tallisées de cristallinité supérieure. La présente invention a encore pour but de fournir un procé- dé de formation d'un cristal avec un niveau élevé de possibilité de contr 8 le et de rendement. D'après la présente invention, il est proposé un procédé de fabrication d'un dispositif semi conducteur du type multicouche, dans lequel une ouverture rectangulaire est disposée à une inter- section de lignes de repère dans une pellicule isolante sur un substrat semi-conducteur qui porte un élément semi-conducteur de *première couche (SOI), et une pellicule semi-conductrice de poly- cristal est formée sur l'ouverture et la pellicule isolante. Pour cristalliser la pellicule semi-conductrice de polycristal avec le substrat de l'ouverture comme germe cristallin, un fais - ceau d'énergie est projeté en spirale sur la surface entière du substrat semiconducteur, de telle manière qu'il passe par l'ouver- rure au moins à chaque tour, de façon à déclencher la croissance d'un nouveau cristal à partir de celle-ci De cette manière, le substrat semiconducteur est cristallisé pratiquement sur toute sa surface, après quoi un élément semi-conducteur de seconde couche est formé sur la couche cristallisée résultante par une technique usuelle de fabrication de dispositifs semiconducteurs (SOS) Dans le procédé, l'ouverture rectangulaire est formée de préférence par deux couches de pellicules isolantes. La présente invention pourra être bien comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, donnée en référence aux dessins ci-annexés. La fig 1 est un schéma montrant l'irradiation par un fais- ceau d'énergie suivant la présente invention. La fig 2 est une vue schématique partielle, montrant une ouverture rectangulaire formée dans les lignes de repère suivant la présente invention. La fig 3 est une vue schématique partielle, montrant un grand nombre d'ouvertures formées dans les lignes de repère. Les fig 4 a) 4 b et 5 a, 5 b sont des schémas illustrant l'effet de la différence de dimensions relatives du diamètre du faisceau et de l'ouverture. Les fig 6 a à 6 e sont des vues en coupe, illustrant les - phases de la fabrication d'un dispositif semiconducteur du type multicouche, suivant un mode de réalisation de la présente inven- tion. La fig 7 est une vue en perspective représentant schémati- quement les parties essentielles de la fig 6. La fig 8 est une vue schématique représentant, sur un socle, plusieurs substrats semiconducteurs qui ont été irradiés par un faisceau d'énergie en spirale. La présente invention est ci-après expliquée en détail, dans le cadre de l'un de ses modes de réalisation. D'après la présente invention et comme le montre-la fig 1, une ouverture, formée de préférence par au moins deux couches de pellicules isolantes, est formée à une intersection 3 de lignes de repère 2 d'un substrat semiconducteur (pastille de semiconduc- teur) et, après qu'une pellicule sehiconductrice polycristalline a été formée sur ce substrat, un faisceau d'énergie 4, tel que le faisceau d'un laser, est projeté en spirale pour provoquer une cristallisation, comme le montre la fig 1 La cristallisa- tion est accélérée par cette ouverture rectangulaire. C'est un fait généralement connu qu'une tentative pour former une ouverture rectangulaire dans une pellicule par la technique classique de gravure dès semiconducteurs se heurte à des difficultés, car les angles de l'ouverture ont de grandes chances d'être arrondies Par contre, l'utilisation de plusieurs pellicules isolantes permet de former avec précision une ouvertu- re rectangulaire à angles vifs. Un exemple d'un tel procédé est illustré par la fig 2 Une première pellicule isolante est formée sur un substrat 1 qui est passé parle stade de formation d'un élément semiconducteur de première couche (première pellicule isolante qui peut être rem- placée, avec les mêmes résultats, par une pellicule isolante formée au moment de la formation de l'élément semiconducteur de première couche) Une ouverture rectangulaire 5, dont l'axe longitudinal est vertical, est formée par une technique usuelle de gravure à une intersection de lignes de repère verticale et horizontale 2 Une seconde pellicule isolante est ensuite formée et une ouverture rectangulaire 6, dont l'axe longitudinal est horizontal, est formée en superposition sur la seconde pellicule isolante L'ouverture commune 7 des ouvertures rectangulaires verticale et horizontale 5 et 6, qui est délimitée par les bords rectilignes des ouvertures 5 et 6, a des angles très vifs Un O autre avantage consiste en ce qu'étant donné que la ligne de repère 2 ne porte pas d'élément semiconducteur et est plane, la distortion de lignes, qui pourrait être produite autrement par un défaut d'uniformité dans le traitement de photogravure, n'apparait absolument pas La petite ouverture rectangulaire 7 est donc formée avec précision et constitue une ouverture de germe cristallin pour la monocristallisation du semi-conducteur poly- cristallin formé sur elle En même temps, cette structure a l'effet de la grapho-épitaxie mentionnée ci-dessus En conséquence, dans le substrat semiconducteur 1 qui a presque des plans ( 100), les bords de la pellicule isolante de l'ouverture rectangulaire, formés parallèlement ou 452 par rapport au plan d'orientation, ont une cristallinité supérieure, ce qui fait qu'on peut considé- rer qu'une croissance satisfaisante du cristal se poursuit. De plus, lorsque la ligne de repère 2, qui ne sert à rien d'autre, est utilisée comme germe cristallin, la surface utile des éléments n'est pas réduite En outre, alors que le fait que la température de l'ouverture soit élevée à plus de 1400 00 - bien que pendant une brève période peut être à l'origine de la diffusion d'impuretés, cela ne pose aucun problème dans la ligne de repère. Par irradiation en spirale avec un faisceau d'énergie sui- vant la présente invention, il est possible d'obtenir une couche de monocristal de meilleure qualité Par contre, avec le système de balayage ultra-rapide par pas X-Y ou similaires, il est notoi- re que le balayage est susceptible d'être instable et qu'il se se produit, en particulier à grande vitesse, un tracé en zig-zag ou des vibrations, ce qui altère la qualité du cristal Par contre, avec l' irradiation en spirale telle qu'appliquée d'après la présente invention, on peut facilement faire tourner de maniè- re stable le substrat semiconducteur à plusieurs dizaines de milliers de tr/mn sur la platine ou similaires en le maintenant par aspiration, et, en même temps, le faisoeau d'énergie peut être déplacé lentement, simplement en direction latérale, ce qui donne lieu à l'irradiation en spirale du substrat Bn outre, la rotation du substrat et le mouvement du faisceau peuvent être facilement contr 8 lés de manière précise, ce-qui donne, comme on l'a vu ci-dessus, une couche cristallisée de qualité supérieure. De plus, si l'on fait varier la vitesse angulaire du faisceau en proportion inverse du rayon du substrat, la vitesse de balaya- ge sur le substrat est d'une part rendue constante et, d'autre part, le balayage est rendu très efficace à l'égard du substrat -semiconducteur circulaire. Si des dispositions sont prises pour que le faisceau passe par l'ouverture, qui constitue un germe cristallin, au moins une fois à chaque tour, la croissance du cristal, qui peut s'inter- rompre, est immédiatement relancée à partir du germe cristallin. Lorsque la présente invention est appliquée au substrat semicon- -ducteur classique, ayant un diamètre de 100 mm, la direction cristallographique de cristaux obtenus par croissance et couvrant toute la surface de ce substrat peut être maintenue essentielle- ment dans une direction voulue, ce qui réduit au minimum les pièes:a ne répondant pas aux normes A cet effet, il est souhai- table de former de nombreuses ouvertures 7 dans la ligne de repère 2, comrne le montre la fig 3 Si l'on procède ainsi, une couche recristallisée est formde pour chaque confetti par les germes cristallins En outre, la dimension des ouvertures 7 est de préférence plus petite que le diamètre du faisceau d'énergie 4, comme le raontre la fig 4 a, avec cette conséquence que l'on ob- tient l'effet de grapho-épitaxie mentionné ci-dessus Dans le cas o intervient la relation illustrée par la fig 4 b, il est évident qu'on n'obtient pas un tel effet. Dans le cas o de multiples petites ouvertures 7 sont for- mées à proximité les unes des autres, le mieux est de les former à intervalles pratiquement égaux, comme le montre la fig 5, pour ce qui concerne la technique de photogravure classique Si un faisceau d'énergie 4 dont le diamètre e-t supérieur au double du pas p des ouvertures 7 est projeté comme le montre la fig 5, au moins une ouverture 7 est toujours contenue en totalité dans le diamètre du faisceau, ce qui assure la croissance à partir du ' germe cristallin avec grapho-épitaxie dans cette partie particu- lière Même si la première irradiation ne couvre pas la totalité de l'ouverture 7, le balayage suivant s'effectué avec l'ouverture 7 complètement contenue dans le diamètre du faisceau En général, dangl'irradiation par faisceau d'énergie, un balayage est super- posé au balayage suivant, auquel cas une petite superposition, par exemple de 10 %, ne pose aucun problème Par contre, si le diamètre du faisceau 4 est petit, comme le montre la fig 5 b, toutes les ouvertures peuvent ne pas être contenues au moins une fois dans le diamètre du faisceau, à moins que la superposition des balayages ne soit suffisamment grande Dans le cas de la fig. b par exemple, une superposition d'environ 60 % est nécessaire, et si ce chiffre est de l'ordre de 10 %, l'effet de grapho-épitaxie ne se produit pas, dans une moitié au moins des ouvertures TI est donc souhaitable d'utiliser, comme on l'a vu ci-dessus, un diamètre de faisceau relativement grand, de pouvoir d'irradiation élevé, pratiquement indépendant de la superposition des balayages. Si l'ensemble est recuit à une température de 700 à 90020 à la suite de la formation de la pellicule de semiconducteur polycristallin, les gaz absorbés ou captés par la pellicule sont dégagés, en même temps que l'adhérence au substrat est améliorée par haute densité Mais le recuit à des températures plus élevées que 90020 n'est pas souhaitable, cat il en résulterait une modifi- cation duprofil d'impuretés de l'élément semi-conducteur de la première couche formée sur le substrat. On se référera maintenant aux fig 6 et 7 pour expliquer les opérations de fabrication des circuits intégrés à semiconduc- teur multicouche suivant un mode de réalisation de la présente invention. D'après ce qui est représenté sur la fig 6 a, un élément semiconducteur de première couche (tel qu'un transistor MOS) est formé sur la surface d'un substrat 1 de siliciut monocristallin ( 100) Les numéros 10, 11 désignent les régions de source et de drain du transistor M 03, le numéro 12 désigne une électrode de gâchette formée à travers la pellicule isolante de gâchette, les numéros 13, 14 désignent des électrodes de source et de drain et le numéro 15 une pellicule isolante Puis une première pellicule isolante 16, faite par exemple de nitrure de silicium plasmatique, est formée sur la surface entière du substrat 1 - Une ouverture rectangulaire 5 est formée sur la première pellicule isolante 16 et une pellicule isolante de seconde couche 17, en pellicule d'oxyde de silicium plasmatique, est étendue sur toute la surface Comme le montre la fig 6 b, une ouverture rectangulaire 6 est formée indépendamment, ce qui fait que, comme on l'a vu précédemment, une ouverture rectangulaire 7 à angles vifs est formée sur la ligne de repère 2 A ce'stade, l'ouverture 7 est représentée schématiquement sur la fig 7. Comme le montre la fig 6 c, une pellicule de silicium poly- cristallin (polysilicium) 18 est fermée avec une épaisseur de 0,3 à 0,7 microns, par dépôt chimique en-phase vapeur plasmnatique ou basse pres- sion Le substrat est ensdite rec it à 900 C pendant 30 minutes et soumis à un traitement thermique de passivation, y compris les pellicu- les isolantes du stade précédent Ce substrat semiconducteur est placé sur une platine à aspiration et, tout en étant chauffé à 45020, il est irradié avec un faisceau de laser au CW-Ar d'envi- ron 80 microns de diamètre, la puissance de sortie du laser étant de l'ordre de 18 W à la vitesse de balayage de 1 m/s Chaque balayage est superposé au précédent de 30 % Tandis que la platine tourne à grande vitesse, le faisceau de laser est déplacé à une vitesse fixe dans la direction de l'axe indiqué par la flèche X, -ce qui fait que le substrat de semiconducteur est irradié en spirale, pratiquement depuis son centre en direction de sa péri- pherie extérieure En conséquence, la pellicule de polysilicium 18 se transforme en monocristal depuis le centre jusqu'à la périphérie extérieure du'substrat, la surface complète étant finalement cristallisée. La couche recrtstallisée résultante constitue un substrat pour la formation d'un élément semiconducteur de seconde couche. Cet élément semiconducteur est formé par application d'une tech- nique usuelle de fabrication des semiconducteurs Comme le montre la fig 6 d, une partie de la couche de silicium recristallisé est oxydée, de manière à former un flot de silicium 20, complètement isolé par la pellicule isolante 19 La pellicule isolante formée par,l'oxydation de la couche de silicium et les couches isolantes précitées 15, 16 et 17 sont désignées dans l'ensemble par le numéro 19 Ainsi est formée la région d'flot plat 20. l D à région de source 21, la région de drain 22, la pellicule isolante de gâchette, l'électrode de gâchette 23, la source 24 et le drain 25 du transistor MS sont formés sur la région en flot -20 par une technique usuelle de fabrication de circuits intégrés semiconducteur Un élément semiconducteur de seconde couche est ainsi formé, comme le montre la fig 6 e, ce qui donne un circuit intégré du type multicouche Le câblage des éléments I' ^ semi-conducteurs de la première et de la seconde couches peut être effectué, soit en reliant par des fils les prolongements prévus à la périphérie des confettis, soit en'reliant directement entre elles la première et la seconde couches. Le 'rendement des diodes MOS constituant les éléments semnicon- ducteurs de seconde couche ainsi obtenus est très élevé D'après la présente invention, le procédé de recuit par faisceau avec germe, présentant l'effet de grapho-épitaxie et la croissance répétitive à partir du germe cristallin avec des cycles brefs ' pour chaque ligne de repère, aboutit à une couche cristallisée de haute qualité De plus, la plupart des régions non actives sont isolées par oxydation et les petites parties défectueuses qui restent encore sont considérablement réduites, ce qui contri- bue au rendement élevé. Pour former encore un élément semiconducteur d'une autre couche, il est évidemment possible de laisser la partie corres- pondant à la ligne de repère sur la fig 6 d et de la réutiliser comme germe cristallin pour la couche suivante. Le centre de la spirale du faisceau d'énergie 4 peut être également placé à l'extérieur du substrat de semiconducteur 1. Dans d'autres circonstances encore, on peut appliquer le procédé illustré par la fig B Plus précisément, comme le montre la fig 8, plusieurs substrats de semiconducteur 1 sont fixées sur un socle 31 et le faisceau d'énergie 4 est déplacé dans la direc- tion de la flèche, tandis qu'on fait tourner le socle 31 dans le sens de la flèche, d'oi il résulte que le faisceau est projeté en spirale de manière efficace sur toute la surface des substrats de semiconducteur, pour obtenir la monocristallisation avec efficacité. Il est visible, d'après la description qui précède, qu'il est fourni, par la présente invention, un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur du type multicouche, qui appartient au genre des circuits intégrés-tridimensionnels, à une grande vitesse et avec une densité élevée. REVENDICATIONS - 1. Procédé de fabrication d'un dispositif semi- conducteur du type multicouche, caractérisé en ce qu'on forme un élément semi-oonducteur de première couche ( 10,11, 12, 13, 14) sur la surface d'un substrat de semi-conducteur ( 1), on perce une ouverture rectangulaire ( 5) dans'une pellicule isolante ( 16) sur une ligne de repère du substrat de semi-conducteur ce qui met ainsi à nu le substrat de semi-conducteur au niveau de cette ouverture, on recouvre d'une pellicule de semi-conducteur polycristallin ( 18) le substrat de semi- conducteur au niveau de l'ouverture et la pellicule isolante, on irradie en spirale la pellicule de semi-conducteur polycristallin avec un faisceau d'énergie, de telle manière que le faisceau passe par au moins une ouverture à chaque tour, de manière à recristalliser la pellicule de semi-conducteur polycristallin, et on applique un j 5 élément semi- conducteur de seconde couche ( 21, 22, 23, 24, 25) sur la couche recristallisée. 2. Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conduc- teur du type multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule isolante a une structure à double couche au moins, en ce qu'une première ouverture rectangulaire ( 5) est formée avec un axe longitudinal dans la première pellicule iso- lante, en ce qu'une seconde pellicule isolante est formée et en ce-qu'une ouverture rectangulaire ( 6) est formée en superposition à la première pellicule isolante de telle manière que son axe longitudinal soit perpendiculaire à l'axe longitudinal de la pre- mière ouverture rectangulaire, une ouverture ( 7) étant ainsi for- mée par les parties communes de la première et de la seconde ou- vertures rectangulaires. 3 Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur du type multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de formation d'un semiconducteur polycristallin comprend l'opération consistant à traiter thermiquement à une température de 700 à 900-0 apres avoir recouvert de la pellicule de semicon- ducteur polycristallin le substrat et la pellicule isolante. 4 Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur du type multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du faisceau d'énergie projeté est plus grand que la plus grande longueur de l'ouverture commune ( 7) Procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur du type multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs ouvertures sont formées à intervalles ne dépassant pas la moitié du diamètre du faisceau d'énergie d'irradiation, sur la ligne de repère entre les intersections avec deux lignes de repère voisines. 6 Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur du type multicouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pellicule isolante à double couche comprend une pellicule de nitrure de silicium et une-pellicule d'oxyde de silicium. 7 Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le substrat de semiconducteur est fait 'un cristal unique de sili- -cium et en ce que le semiconducteur polycristallin est fait de silicium polycristallin. 8 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche recristallisée est faite d'un cristal unique de silicium. 9 Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le substrat de semiconducteur au niveau de l'ouverture commune constitue un germe cristallin pour la recristallisation de la pellicule de semiconducteur polycristallin. 1 10 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une pellicule isolante est formée sélectivement sur la couche recris- tallisée. 11 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un élément semi-conducteur est formé sur le substrat de semi-conducteur. 12 Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que l'élément semiconducteur est un transistor MOS. 13 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs substrats de semiconducteur sont disposés sur un socle de support. 54 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pellicule isolante à double couche comprend une pellicule de nitrure de silicium et une pellicule d'oxyde de silicium.