Brevet FR2544916A1 — publié le 19841026

PROCEDE DE FABRICATION DE TRANSISTORS A EFFET DE CHAMP MOS La présente invention concerne un procédé de fa- brication de transistors à effet de champ MOS et en parti- culier un procédé de fabrication de transistors à effet de champ MOS utilisant un substrat dans lequel une couche se- miconductrice monocristalline est formée sur un isolant. Pour parvenir à un fonctionnement rapide et à une intégration à densité élevée pour un dispositif semiconduc- teur, des efforts ont été faits dans le but de fabriquer un dispositif semiconducteur à circuit intégré ayant une fai- ble capacité parasite, en séparant des éléments de circuit par une matière diélectrique A titre d'exemple, dans un procédé on dépose une couche semiconductrice polycristalli- ne ou amorphe sur un isolant et on applique à la surface de la couche semiconductrice un faisceau d'énergie comme un faisceau laser, un faisceau d'électrons ou autres, de façon à échauffer uniquement la couche de surface, ce qui forme une couche semiconductrice monocristalline, et on forme en- suite sur cette couche des transistors à effet de champ MOS (TEC MOS) On peut obtenir de cette manière un élément ayant une capacité parasite extrêmement faible, dont la pé- riphérie et la partie inférieure sont séparées par une ma- tière diélectrique. Les figures 1 A à 1 I sont des coupes montrant des états obtenus au cours des principales étapes de fabrica- tion d'un transistor à effet de champ MOS conformément à un tel procédé classique Tout d'abord, comme le montre la fi- gure 1 A, on dépose une couche de silicium polycristallin 11, par exemple d'une épaisseur de 500 nm, sur un substrat en dioxyde de silicium (Si O 2) e 10, par un procédé ordinaire de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (CVD). On expose ensuite la couche de silicium polycristallin 11 à une atmosphère oxydante à la température de 9500 C, par exemple, afin de former une couche d'oxyde 12 ayant par exemple une épaisseur de 50 nm, sur laquelle on dépose une couche de nitrure 13, pa r exemple d'une épaisseur de 100 nm, par le procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, comme le montre la figure 1 B Ensuite, comme le montre la figure 10, on forme un motif dans la couche de nitrure 13, par un traitement photographique On expose en- suite les couches à l'atmosphère oxydante, par exemple à la température de 95000, pendant une longue durée, de façon que toutes les parties ne portant pas le motif formé par la couche de nitrure 13 soientoxydées On enlève ensuite la cou- che de nitrure 13 et la couche d'oxyde 12 qui se trouve sous la couche de nitrure 13 et on peut alors obtenir, com- me le montre la figure 1 D, une structure dans laquelle la périphérie et la partie inférieure de la couche de silicium polycristallin Il sont entourées par le dioxyde de silicium isolant 10 et 14 Cependant, dans cet état, la couche de silicium polycristallin Il ne possède pas une propriété de cristallisation permettant de former un élément et,de ce fait, on fait fondre le silicium polycristallin en appliquant un faisceau d'énergie focalisé sur une très petite surface, comme un faisceau laser ou'un faisceau d'électrons ou autres, pour produire une recristallisation du silicium polycristal- lin donnant soit un monocristal soit un polycristal ayant des grains de grand diamètre Cette étape est représentée sur la figure l E, sur laquelle la référence 15 désigne la couche de silicium recristallisé Ensuite, conformément à un procédé habituel de fabrication d'un transistor à effet de champ M Oe, on forme une couche d'oxyde de grille 16 sur la couche de silicium recristallisé 15, comme le montre la figure 1 puis, comme le montre la figure 1 G, on dépose,sur la couche d'oxyde de grille 1 i 6,du silicium polycristallin dans lequel on définit un motif désiré pour former une électrode de grille en silicium polycristallin 17 Ensuite, comme le montre la figure 1 H, en utilisant comme masque l'électrode de grille en silicium polycristallin 17, on in- troduit une grande quantité d'impureté dans la couche de silicium recristallisé 15 de façon à former une région de source 18 et une région de drain 19 Après ceci, comme le montre la figure 1 I, on forme une couche d'oxyde 20 sur toute la surface et on forme des trous de contact dans les parties situées au-dessus de l'électrode de grille 17, de la région de source 18 et de la région de drain 19, de fa- çon à réaliser une interconnexion de grille 21, une inter- connexion de source 22 et une interconnexion de drain 23, et on forme ensuite sur toute la surface une couche protec- trice de surface 24 la fabrication du transistor à effet de champ MOS est ainsi terminée. Dans un procédé de fabrication classique, toutes les régions destinées à la formation de transistors à effet de champ MOS sont fondues et recristallisées par l'applica- tion d'un faisceau laser ou autre Dans un autre procédé classique, on fait fondre et on recristallise à l'avance toute la surface d'une couche de silicium polycristallin formée sur une tranche, de façon à former des éléments sur cette surface Cependant, dans ces procédés classiques, des contraintes importantes apparaissent dans la couche de si- licium recristallisé, du fait de diverses causes comme une solidification et une dilatation locales dues à la fusion et à la recristallisation, ou une différence entre les coefficients de dilatation du silicium et du substrat iso- lant De plus, il est extrêmement difficile de faire dispa- raître de telles contraintes dans un procédé ordinaire De telles contraintes ont des influences défavorables sur les caractéristiques électriques,qui se manifestent par exemple par des irrégularités dans la mobilité des porteurs, par l'existence de faibles courants de fuite dans les jonctions pn, etc, et elles produisent également un gauchissement de la tranche complète, ce qui nuit à la définition d'un motif d'une grande finesse. Un but principal de l'invention est donc de pro- curer un procédé de fabrication de transistors à effet de champ MOS, dans lequel on-puisse atténuer des contraintes apparaissant dans le semiconducteur recristallisé. Brièvement, l'invention consiste en un procédé de fabrication de transistors à effet de champ MOS utilisant une tranche qui comporte une couche semiconductrice poly- cristalline ou amorphe formée sur un isolant, et ce procédé comprend une opération dans laquelle on applique un faisceau d'énergie à la couche semiconductrice, en soumettant le faisceau à un balayage intermittent et coordonné par rapport à la tranche, afin d'échauffer localement la couche semi- conductrice, grâce à quoi seules des parties appartenant à la couche semiconductrice et destinées à former des régions de canal de transistors à effet de champ MOS sont converties sous forme monocristalline ou sont soumises à une augmenta- tion de la taille des grains cristallins. Conformément à l'invention, seules les parties de la couche semiconductrice qui sont destinées à former des régions de canal de transistors à effet de champ MOS sont chauffées sélectivement par un faisceau d'énergie. Un avantage principal de l'invention consiste en ce qu'elle permet d'atténuer les contraintes apparaissant dans la couche semiconductrice recristallisée. Un autre avantage de l'invention consiste en ce qu'elle permet de supprimer le gauchissement d'une tranche dû à des contraintes, ce qui permet de former aisément un motif fin. Un autre avantage de l'invention consiste en ce qu'elle permet de fabriquer des transistors à effet de champ MOS ayant des caractéristiques électriques excellen- tes et uniformes. Un avantage supplémentaire de l'invention consiste en ce qu'elle permet de réduire notablement le temps de traitement exigé pour la recristallisation. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif la suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: Les figures 1 A à 1 I sont des coupes montrant les états au cours des principales étapes de fabrication d'un. transistor à effet de champ M O conformément à un procédé classique. la figure 2 A est une vue en plan d'une tranche dans laquelle on forme un motif dans une couche de nitrure de silicium sur une couche de silicium polycristallin formée sur la surface d'un substrat isolant, conformément à un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 B est une vue en plan partielle et agrandie d'une partie P de la tranche représentée sur la figure 2 A. la figure 20 est une coupe partielle agrandie d'une partie P de la tranche représentée sur la figure 2 B. la figure 3 Aest une coupe partielle agrandie de la tranche représentée sur la figure 2 C. Les figures 3 B et 30 sont des graphiques montrant des distributions d'élévation de température dans la tranche lorsqu'elle est balayée par des faisceaux laser ayant res- pectivement différents niveaux d'énergie. Les figures 4 A et 4 B sont des vues en plan mon- trant Les états au cours d'une certaine étape d'un procédé de fabrication d'un transistor à effet de champ MOS, après la conversion sous forme monocristalline d'une partie d'une couche de silicium polycristallin, conformément à un mode de réalisation de l'invention. la figure 5 est une coupe d'une tranche dans la- quelle une couche mince de dioxyde de silicium est formée sur un substrat de silicium. la figure 6 est une représentation schématique montrant un exemple d'un dispositif de fabrication conforme à l'invention. La figure 2 Aest une vue en plan d'une tranche dans laquelle on a défini un motif dans une couche de nitrure de silicium sur une couche de silicium polycristallin formée à la surface d'un substrat en dioxyde de silicium, conformé- ment à un mode de réalisation de l'invention la figure 2 B est une vue en plan partielle et agrandie d'une partie P de la tranche représentée sur la figure 2 A La figure 20 est une coupe partielle et agrandie d'une partie P de la tranche représentée sur la figure 2 A Sur une tranche 40 sur laquel- le on a déposé sur un substrat de dioxyde de silicium 10, une couche de silicium polycristallin 11, par exemple d'une épaisseur de 500 nm, par exemple par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, on dépose en outre une couche de nitrure de silicium 25, par exemple d'une épaisseur de 150 nm, par exemple par un procédé de dé- p 8 t chimique en phase vapeur à basse pression, de façon à produire avec la couche 25 un motif sous la forme de deux bandes, en utilisant un traitement photographique et un procédé d'attaque par voie sèche bien connus dans la tech- nique Les régions soumises à la formation d'un motif sont des régions destinées à former une région de canal au cours des étapes suivantes La région de canal mentionnée ici com- prend un canal et une région de jonction formée par le ca- nal, une source et un drain Les figures 3 A, 3 B et 3 C mon- trent respectivement une représentation schématique et des graphiques destinés à expliquer un état dans lequel la tranche 40 est soumise à une élévation de température, dans une situation dans laquelle on applique un faisceau laser. Comme le montre la coupe partielle agrandie de la figure 3 A, lorsqu'on applique un faisceau laser à la tranche 40, la couche de nitrure de silicium 25 fait fonction de couche réfléchissante et la distribution de température dans la tranche devient celle qui est représentée sur la figure 3 B. Par conséquent, dans les régions portant la couche de ni- trure de silicium 25, la couche de silicium polycristallin Il peut être fondue et recristallisée par une puissance faible qui ne pourrait pas faire fondre la couche de sili- cium polycristallin 11 dans d'autres régions A ce moment, si on augmente légèrement la puissance du faisceau laser, une région R ne comportant pas la couche de nitrure de si- licium 25 et intercalée entre les régions à température élevée, peut également fondre, en étant portée à une tem- pérature supérieure à la température de fusion M du sili- cium, comme le montre la figure 30 De plus, du fait que cette région R a une température inférieure à celle des parties adjacentes, une nucléation commence à partir de cette région de façon que la cristallisation progresse des deux côtés, et il en résulte qu'on peut faire en sorte que cette région soit une région ne comportant presque pas de frontières de grains Bien entendu, la puissance du fais- ceau laser à ce moment n'atteint pas une valeur provoquant la fusion de la couche de silicium polycristallin 11 dans les régions périphériques ne comportant pas la couche de nitrure de silicium 25 La largeur d'une bande de la cou- che de nitrure de silicium 25 est de préférence d'environ pmi, et la distance entre les deux bandes est également de préférence d'environ 10 pi, tandis qu'il n'existe pas de limitation sur la longueur d'une bande Du fait que la lon- gueur de canal d'un transistor à effet de champ MOS prévu pour l'utilisation dans un circuit intégré à densité d'in- tégration élevée est dans la plupart des cas inférieure à p F, une telle taille n'entraîne aucun inconvénient dans la fabrication d'un transistor à effet de champ MOS Le diamètre de la trace du faisceau laser, c'est-àdire la largeur sur laquelle le silicium polycristallin est mis en fusion, est variable dans la plage de 25 à 50 pm, et on peut donc recristalliser une région désirée par une seule opéra- tion de balayage du faisceau laser, tandis que les autres régions peuvent etre laissées dans l'état non fondu Ia di- rection de balayage du faisceau laser est de préférence une direction pratiquement orthogonale à la direction du canal. La première raison pour ceci consiste en ce que le balayage du faisceau laser s'effectue plus efficacement dans la di- rection transversale d'un canal, c'est-à-dire dans la direc- tion orthogonale à la direction longitudinale d'un canal, du fait que dans n'importe quel type de transistor à effet de champ MOS, la largeur du canal est supérieure à sa lon- gueur la seconde raison consiste en ce qu'en choisissant la direction de balayage de la manière décrite ci-dessus, on peut empêcher l'apparition d'une frontière de grains re- liant une source et un drain - Les étapes qui suivent l'étape décrite ci-dessus sont les mêmes que dans un procédé ordinaire de fabrication d'un transistor à effet de champ MOS Plus précisément, après la recristallisation décrite ci-dessus, par l'appli- cation du faisceau laser, la tranche de laquelle la couche de nitrure de silicium 25 a été enlevée de la manière dé- crite ci-dessus est exposée à une atmosphère oxydante, par exemple à la température de 95000, de façon à former une couche d'oxyde de silicium ayant par exemple une épaisseur de 50 nm, et on forme ensuite une couche de nitrure de si- licium ayant par exemple une épaisseur de 100 nm,-en em- ployant par exemple un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression Dans ce cas, la vitesse d'oxyda- tion dans la région recristallisée est plus faible que dans d'autres régions, ce qui conduit à la formation à la surfa- ce de la tranche d'une partie 26 présentant une différence de niveau Par conséquent, en utilisant cette partie 26 ayant une différence de niveau, on peut effectuer un trai- tement par un procédé photographique, par la mise en place d'un masque pour un motif de champ 27 On forme ainsi le même motif que sur la figure 1 C et, ensuite, par oxydation sélective, on obtient une région de transistor à effet de champ MOS qui est entourée par une couche d'oxyde de champ 14, comme le montre la figure 1 D On enlève ensuite la couche de nitrure de silicium et la couche d'oxyde de sili- cium sur les surfaces destlots de silicium, de façon à for- mer en outre une couche d'oxyde de grille dans une atmos- phère oxydante, par exemple à la température de 10000 C On forme ensuite une électrode de grille 28 au centre de la région recristallisée, comme le montre la figure 4 B et la fabrication d'un transistor à effet de champ MOS est alors terminée, conformément à un procédé ordinaire de fabrica- tion d'un transistor à effet de champ MOS. Bien que dans le mode de réalisation décrit ci- dessus, une couche de nitrure de silicium 25 soit formée et gravée préalablement sur la couche de silicium polycris- tallin 11 avant la recristallisation par le faisceau laser, on-peut appliquer directement le faisceau laser à la couche de silicium polycristallin 11 de façon à recristalliser uni- quement la région nécessaire, c'est-à-dire la région de drain décrite cidessus, en fonction des caractéristiques exigées pour un transistor à effet de champ MOS Plus pré- cisément, si la position et la longueur de balayage d'une région désirée sont enregistrées sous forme de données dans un ordinateur, de façon que le faisceau laser ne soit appliqué qu'aux parties nécessaires d'une tranche, sous la commande de l'ordinateur, on peut augmenter considérable- ment le rendement du processus de recristallisation. On décrira brièvement en se référant à la figure 6 un dispositif destiné à mettre en oeuvre le procédé dé- crit ci-dessus Ia figure 6 est une représentation schéma- tique montrant un exemple d'un dispositif de fabrication conforme à l'invention Une tranche 40 est montée sur une platine mobile en X-Y, 42 Un faisceau laser 44 que produit une source laser 56 est réfléchi par des miroirs 52 et 46 pour être appliqué à la tranche 40 La platine mobile en X-Y 42 est déplacée dans la direction de l'axe X et dans la direction de l'axe Y sous la commande d'un dispositif- de commande 58 qui comporte un ordinateur Un modulateur 54 est incorporé dans le chemin du faisceau laser 44 Le modulateur 54 interrompt par intermittence le faisceau la- ser 44, sous la commande du dispositif de commande 58 Un atténuateur de puissance 50 est également placé dans le chemin du faisceau laser 44 de façon à réguler la puis- sance du faisceau laser 44 sous la commande du dispositif de commande 58 En utilisant un dispositif tel que celui décrit ci-dessus, on communique au faisceau laser 44 un mouvement de balayage intermittent et coordonné par rapport à la tranche 40, grâce à quoi seules des parties 41 desti- nées à devenir des régions de canal de transistors à effet de champ MOS sont soum Isesà une conversion sous forme mono- cristalline Un moniteur de télévision en circuit fermé 48 contrôle l'état dans lequel le faisceau laser 44 est appli- qué de la manière décrite ci-dessus. Du fait que les frontières entre les régions re- cristallisées de la manière décrite ci-dessus et les ré- gions qui ne sont pas recristallisées deviennent des ré- gions de source et des régions de drain qui sont soumises à un dopage avec une forte concentration d'impuretés, on a déterminé expérimentalement que de telles frontières ont peu d'influence sur les caractéristiques électriques de transistors à effet de champ MOS De plus, bien qu'on ait utilisé un faisceau laser pour la recristallisation dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, on peut utiliser d'autres moyens de chauffage local, comme un faisceau d'électrons ou de la lumière d'une lampe à halogène ou d'une lampe à arc qu'on a fait converger, etc A la place du substrat en dioxyde de silicium 10 =décrit ci-dessus, on peut employer une structure dans laquelle une couche de 1 1 dioxyde de silicium 10 est formée par exemple sur un subs- trat en silicium 30, comme le montre la figure 5. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et au dispositif décrits et représentés, dans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication de transistors à effet de champ MOS utilisant une tranche ( 40) qui comporte une couche semiconductrice polycristalline ou amorphe ( 11) for- mée sur un isolant ( 10), caractérisé en ce qu'il comprend une étape dans laquelle on applique un faisceau d'énergie ( 44) à une couche semiconductrice ( 11) en soumettant ce faisceau d'énergie à un balayage intermittent et coordonné par rapport à la tranche ( 40), de façon que la couche se- miconductrice ( 11) soit échauffée localement, grâce à quoi seules des parties ( 41) de la couche semiconductrice ( 11)- qui sont destinées à former des régions de canal des tran- sistors à effet de champ MOS sont converties sous forme monocristalline, ou bien les grains cristallins de ces parties sont agrandis. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des régions de canal comprend un canal et une région de jonction formée par ce canal, une source et-un drain. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on soumet le faisceau d'énergie ( 44) à un balayage dans une direction pratiquement orthogonale à la direction du canal. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'on applique le faisceau d'énergie ( 44) à -la couche semiconductrice ( 11) sous la commande d'un ordinateur dans lequel on a enregistré préa- lablement des données concernant la position soumise au faisceau d'énergie ( 44) et la longueur de balayage. 5 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisé en ce qu'on applique le faisceau d'énergie ( 44) à la couche semiconductrice ( 11) en utili- sant une pellicule ( 25) formée et gravée préalablement sur la couche semiconductrice. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pellicule est une pellicule de nitrure de silicium ( 25). 7 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau d'énergie est un faisceau laser ( 44). 8 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau d'énergie est un faisceau d'électrons. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisé en ce que le faisceau d'énergie est un faisceau de lumière focalisé. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 9, caractérisé en ce que l'isolant ( 10) est formé sur un substrat semiconducteur ( 30).