Brevet FR2579828A1 — publié le 19861003

PROCEDE D'OXYDATION LOCALISEE POUR L'OBTENTION D'OXYDE EPAIS La présente invention concerne un procédé d'oxydation localisée pour l'obtention d'oxyde épais. I1 est connu dans l'art antérieur de réaliser des oxydations localisées permettant d'obtenir un oxyde épais, généralement appelé oxyde de champ, en recouvrant d'une couche de nitrure de silicium la couche mince d'oxyde de silicium qui recouvre un substrat semiconducteur en silicium monocristallin. La couche de nitrure est gravée et sert de masque pour l'oxydation qui permet la croissance de l'oxyde de champ. La croissance de l'oxyde de champ se fait au détriment du substrat. Sur les figures 1 et 2, on montre que la couche de nitrure 3 est gravée pour permettre la croissance d'oxyde de champ 4 à travers de la couche mince d'oxyde 2 qui recouvre le substrat semi-conducteur 1. Sur la figure 1, avant la croissance de l'oxyde épais, on réalise, par implantation, des zones d'isolement de type P+ dans le substrat de type P, dans l'exemple choisi.On utilise généralement pour réaliser cette implantation la résine qui a servi de masque à la gravure du nitrure. Ces zones d'isolement peuvent être réalisées autrement, par exemple par diffusion. Cette technique présente de nombreux inconvénients. En particulier, on observe un phénomène de nitruration à l'interface entre la couche d'oxyde 2 et le substrat 1. li faut savoir que la croissance de l'oxyde épais se fait généralement sous atmosphère humide pour accélérer la réaction ce qui favorise la nitruration. Le nitrure se forme principalement à la périphérie des zones d'oxyde épais réalisées. La dégradation de l'interface entre la couche d'oxyde et le substrat fait qu'il n'est pas possible d'utiliser cette couche d'oxyde comme oxyde mince, généralement appelé oxyde de grille. On est conduit à enlever cette couche d'oxyde, à déposer une nouvelle couche d'oxyde qui ne sert qu'à enlever toutes les traces de la nitruration, puis à déposer une nouvelle couche de diélectrique. Sur la figure 2, on désigne par la référence 5 les traces de nitrure qui sont donc situées essentiellement à la périphérie des zones d'oxyde épais réalisées mais aussi à l'aplomb de trous 6 qui peuvent exister dans la couche de nitrure 3. Sur les figures 3 à 6, on montre que la couche d'oxyde 2 est enlevée, puis remplacée par une autre couche d'oxyde 7, qui peut être d'épaisseur irrégulière, à cause de la nitruration. Cette couche 7 est retirée pour être remplacée par une dernière couche mince de diélectrique 8. Un autre inconvénient de cette technique connue pour l'obtention d'oxyde épais est que les contraintes thermiques lors de la réalisation de l'oxyde de champ 4 induisent des défauts cristallins dans la zone du substrat 1 correspondant à la transition entre l'oxyde épais 4 et l'oxyde mince. Sur les figures 2 et suivantes, ces défauts sont symbolisé par des croix 9. Ces défauts sont particulièrement gênants si l'on réalise une diode auto-alignée avec l'oxyde épais, car on augmente alors la profondeur de la jonction à sa périphérie et on peut perturber ainsi les caractéristiques de la diode. Sur la figure 6, on montre qu'une diode a été réalisée, par exemple par implantation d'impuretés de type N, dans la partie du substrat située entre les zones d'oxyde épais. On constate que la profondeur de la jonction qui est délimitée schématiquement par des pointillés est plus importante à la périphérie de la jonction. Un autre inconvénient de cette technique connue se manifeste lorsque l'on réalise une ouverture de contact auto-alignée avec l'oxyde de champ comme cela est représenté sur la figure 7. En effet dans ce cas-là, on procède généralement à un dopage supplémentaire dans l'ouverture de contact, ce qui sur la figure 7 conduit à l'obtention d'une zone de type N+. De plus on est conduit à réaliser une gravure supplémentaire de l'ouverture de contact pour supprimer le diélectrique 8. Cette gravure diminue l'épaisseur de l'oxyde épais à la périphérie des zones en oxyde épais.L'incon vénient de ce procédé connu est que lorsqu'on réalise une ouverture de contact auto-alignée avec l'oxyde épais, la zone de type N obtenue provoque la mise en contact des zones de type P et N+, ce qui change leurs concentrations. La présente invention concerne un procédé d'oxydation localisée pour l'obtention d'oxyde épais qui supprime les inconvénients du procédé connu qui vient d'être exposé. La présente invention concerne un procédé d'oxydation iov- lisée pour l'obtention d'oxyde épais, sur un substrat semi-conducteur en silicium mono-cristallin recouvert d'une couche mince de diélectrique en oxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium étant utilisée comme masque pour l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - 1 ) on intercale entre la couche de diélectrique et la couche de nitrure une couche de silicium poly-cristallin; - 20) on délimite par photo-gravure des zones où le nitrure et le silicium poly-cristallin sont gravés et où l'on fait croître un oxyde épais. La présente invention concerne aussi un procédé å'oxydation localisée permettant l'obtention d'oxyde épais sur un substrat semiconducteur en silicium mono-cristallin recouvert d'une couche mince de diélectrique, constituée d'une couche d'oxyde de silicium, recouverte d'une couche de nitrure de silicium, elle-même recouverte d'une couche d'oxyde de silicium, une couche de nitrure de silicium, étant utilisée comme masque pour l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:: - 10) on intercale entre la couche de diélectrique et la couche de nitrure servant de masque une couche de silicium poly-cristallin; - 2 ) on délimite par photo-gravure des zones où la couche de nitrure servant de masque, le silicium poly-cristallin, la couche de nitrure de la couche diélectrique et la couche d'oxyde qui la recouvre sont gravés et où l'on fait croître un oxyde épais. D'autre objets, caractéristiques et résultats de l'invention ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures 1 à 7, des schémas illustrant un procédé d'oxydation localisée pour obtention d'oxyde épais connu de l'art antérieur - les figures 8 à 2', des schémas Illustrant le procédé d'oxydation localisée pour l'obtention d'oxyde épais selon l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes repères désignent les mêmes éléments, mais, pour des raisons de clarté, les cotes et proportions des divèrs éléments ne sont pas respectées. Les figures 8 à 12 illustrent différentes étapes d'un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention. Sur la figure 8, on a intercalé entre la couche d'oxyde mince 2 et la couche de nitrure 3 une couche de silicium polycristallin 10. Cette couche 10 peut être déposée par voie chimique ou par plasma, par exemple. Son épaisseur peut varier à titre d'exemple entre 1000 et 5000 Angströms. On délimite par photo-gravure des zones où le nitrure 3 et le silicium poly-cristallin 10 sont gravés. On fait croître dans ces zones un oxyde épais 4 à travers la couche mince d'oxyde 2, comme cela est représenté sur la figure 9. Avant de faitre croître l'oxyde épais, on peut réaliser par exemple par implantation des zones d'isolement de type P+, dans le substrat 1 en silicium de type P dans l'exemple choisi, en utilisant comme masque la résine qui a servi à la gravure du nitrure. La couche de silicium poly-cristallin sert de couche tampon et protège contre la nitruration la couche d'oxyde 2. On observe la formation de nitrure 5 à l'interface entre la couche de nitrure 3 et la couche de silicium poly-cristallin 10. Le nitrure 5 se répartit principalement à la périphérie des zones en oxyde épais 4 et à l'aplomb des trous 6 qui peuvent exister dans la couche de nitrure 3. En conséquence, la couche d'oxyde mince 2 n'est pas abîmée et peut être conservée après retrait du nitrure et du silicium polycristallin, essentiellement pour réaliser les grilles des éléments MOS du dispositif. Cette dernière étape est représentée sur la figure 10. Il faut noter sur les figures 9 et 10 le profil particulier obtenu pour les zones d'oxyde épais 4. On constate que l'épaisseur de l'oxyde épais décroît plus progressivement que dans le procédé selon l'art antérieur - comparer notamment les figures 2 et 9. Ce profil particulier est dO au fait que lors de la croissance de l'oxyde épais 4, il y a simultanément oxydation du silicium monocristallin l et oxydation latéralement, de la couche de silicium polycristallin 10. A la périphérie des zones d'oxyde épais, comme il se produit simultanément l'oxydation du silicium mono-cristallin 1 et du silicium poly-cristallin 10, l'épaisseur de l'oxyde épais 4 décroît plus progressivement que dans les dispositifs obtenus par les procédés de l'art antérieur où seul le silicium mono-cristallin est oxydé. L'intérêt de ce profil particulier est que les défauts cristallins 9 dus aux contraintes thermiques accompagnant la réalisation de l'oxyde de champ sont répartis sur toute la zone du substrat 1 qui correspond à la diminution d'épaisseur de l'oxyde épais 4. En conséquence, lorsque l'on réalise une diode, comme illustré sur la figure 11, par implantation d'impuretés de type N en utilisant l'oxyde épais comme masque, le périmètre de la diode déterminé, par l'oxyde épais ne se trouve plus dans la zone de défauts cristallins 9 comme c'est le cas dans l'art antérieur sur la figure 6. Le procédé selon l'invention permet la suppression d'un autre inconvénient du procédé selon l'art antérieur qui a été précédemment exposé. Cet inconvénient apparaît lorqu'on réalise une ouverture de contact auto-alignée avec l'oxyde épais comme cela est représenté sur la figure 12. On procède à un dopage supplémentaire dans l'ouverture de contact ce qui conduit à l'obtention d'une zone de type N+ et on réalise une gravure supplémentaire pour supprimer Oxyde mince. On constate sur la figure 12 qu'étant donné le profil particulier obtenu pour les zones en oxyde épais, la zone de type N+ ne provoque pas la mise en contact des zones de type P+ et N+ comme dans l'art an'.érieur. Le procédé selon l'invention a été décrit dans ce qui précède dans le cas d'un substrat en silicium de type P. Il est bien entendu qu'il s'applique également dans le cas d'un substrat en silicium de type N. Le procédé selon l'invention a été décrit en se référant aux figures 8 à 12 dans le cas d'un substrat semi-conducteur en silicium, recouvrert d'une couche mince d'oxyde de silicium 2. Ce procédé s'applique aussi dans le cas où le substrat semiconducteur est recouvert d'une couche de diélectrique plus Complexe, constituée d'une couche mince d'oxyde de silicium et d'une couche de nitrure de silicium recouverte par oxydation ou par dépôt, d'une couche mince d'oxyde de silicium. Cette dernière couche d'oxyde peut avoir une épaisseur de l'ordre de 100 à 150 Angströms par exemple. Ce type de diélectrique assure un isolement de très bonne qualité. li est employé notamment lorsque l'on réalise un circuit de grandes dimensions, par exemple une matrice photosensible à transfert de charge. Sur la figure 13, on a représenté un substrat semi-conducteur 1 en silicium de type P par exemple qui est recouvert d'une couche de diélectrique, constitué par une couche d'oxyde de silicium 2, et par une couche de nitrure de silicium 11 recouverte d'une couche mince d'oxyde de silicium 12. Comme dans le procédé exposé par référence aux figures 8 à 12, on dépose sur la couche de diélectrique une couche de silicium poly-cristallin 10, puis une couche de nitrure de silicium 3 qui sert de masque. Sur la figure 14, on délimite par photo-gravure des zones où la couche supérieure de nitrure 3, le silicium poly-cristallin 10, et la couche de nitrure 11 recouverte de sa couche d'oxyde sont gravées. Dans les zones ainsi découvertes constituées par le substrat 1, recouvert de la couche d'oxyde 2, on peut réaliser des zones d'isolement de type P+. Cela peut être réalisé par diffusion ou par implantation par exemple. Dans le cas de la diffusion, il faut enlever la couche d'oxyde 2 pour que le substrat 1 soit mis à nu. On fait croître un oxyde épais 4 sur les zones du substrat ainsi découvertes, comme cela est illustré sur la figure 15. On observe qu'il y a également croissance d'oxyde épais à partir du silicium poly-cristallin 10 situé entre les deux couches de nitrure 3 et 11. La vitesse d'oxydation du silicium poly-cristallin est supérieure à celle du silicium mono-cristallin du substrat 1, qui est de plus recouvert d'une couche d'oxyde, ce qui fait que la profondeur des zones d'oxyde épais diminue très progressivement vers leur périphérie. Le profil obtenu sur la figure 15 pour les zones d'oxyde épais est très voisin de celui qui est obtenu sur les figures 9 et suivantes. Dans le cas d'une couche diélectrique complexe, le procédé selon l'invention conserve tous ses avantages notamment en ce qui concerne le fait que la couche de diélectrique soit ré-utililisable car protégée par le silicium poly-cristallin, après suppression comme illustré sur la figure 16 des couches 3 et 10 de nitrure et de silicium poly-cristallin. De même les avantages observés dans le cas de fabrication de photodiodes et de zones de contact auto-alignées avec l'oxyde épais sont conservés car le profil obtenu pour les zones d'oxyde épais n'a pas été modifié. Ainsi les implantations de type N réalisées restent séparées des implantations d'isolement de type P+ et de la zone des défauts cristallins 9. Les figures 17 à 22 illustrent également le procédé selon l'invention dans le cas où le substrat de silicium I est recouvert d'une couche de diélectrique complexe, analogue à celle utilisée dans le cas des figures 13 à 16. Par rapport aux figures 13 à 16, ce qui a été modifié c'est qu'on réalise une première photblithogravure au cours de laquelle seules les couches de nitrure 3 et de silicium poly-cristallin 10 sont gravées. La couche d'oxyde mince 11 permet une fin d'attaque sélective. Sur la figure 181 on a illustré le résultat de cette première photo-lithogravure. Sur la figure 19, on montre que l'on réalise une première croissance d'oxyde 13 a' partir du silicium poly-cristallin 10 intercalé entre la couche de nitrure 3 et la couche d'oxyde 12 recouvrant la couche de nitrure Il La largeur de la zone d'oxyde épais 13 ainsi obtenue dépend de la durée de l'oxydation et non de l'épaisseur de la couche de silicium poly-cristallin 10. Cette largeur est donc facilement contrôlable. Sur la figure 19, on montre que l'on peut réaliser pour contribuer à l'isolement dans les zones découvertes des zones d'implantation de type P+ dans le substrat en silicium de type P. On voit sur la figure 19 que les zones de type P+ se trouvent décalées latéralement à cause de la croissance d'oxyde épais 13. Sur la figure 20, on réalise une deuxième photo-lithogravure au cours de laquelle on supprime la couche de nitrure 11 recouverte de la couche d'oxyde 12 dans les zones où l'on veut faire croître l'oxyde épais. En même temps, on élimine dans les autres zones, la couche de nitrure 3 et celle de silicium poly-cristallin 10. Sur la figure 21, on réalise la croissance d'oxyde épais 4 au détriment du substrat 1 en silicium mono-cristallin. Sur la figure 22, on montre que dans le cas de la fabrication de photodiodes auto-alignées avec les zones d'oxyde épais, la zone en oxyde épais 13, due à l'oxydation du silicium polycristallin, permet d'éloigner l'implantation de type N des défauts cristallins 9 qui apparaisent dans le substrat 1 à la frontière entre oxyde épais et oxyde mince. De même si l'on veut réaliser des zones de contact autoalignées avec les zones d'oxyde épais 4, la présence des zones 13 en oxyde épais permet d'éviter que les zones de type N et P+ n'entrent en contact. Selon une variante du procédé selon l'invention, on peut conserver dans certaines zones, la couche de silicium poly-cristallin 10. Cette couche peut servir à réaliser des capacités ou des grilles actives par exemple. REVENDICATIONS 1. Procédé d'oxydation localisée pour l'obtention d'oxyde épais (4), sur un substrat semi-conducteur (1) en silicium mono-cristallin recouvert d'une couche mince de diélectrique en oxyde de silicium (2), une couche de nitrure de silicium (3) étant utilisée comme masque pour l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - 10) on intercale entre la couche de diélectrique (2) et la couche de nitrure (3) une couche de silicium poly-cristallin (10) ; - 2 ) on délimite par photo-gravure des zones où le nitrure et le silicium poly-cristallin sont gravés et où l'on fait croître un oxyde épais (4). 2. Procédé d'oxydation localisée permettant l'obtention d'oxyde épais sur un substrat semi-conducteur (1) en silicium monocristallin (1) recouvert d'une couche mince de diélectrique, constituée d'une couche d'oxyde de silicium (2), recouverte d'une couche de nitrure de silicium (11), elle-même recouverte d'une couche d'oxyde de silicium (12), une couche de nitrure de silicium (3) étant utilisée comme masque pour l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:: - 1 ) on intercale entre la couche de diélectrique et la couche de nitrure (3) servant de masque une couche de silicium polycristallin (10) - 2 ) on délimite par photo-gravure des zones où la couche de nitrure servant de masque (3), le silicium poly-cristallin (10), la couche de nitrure (11) de la couche diélectrique et la couche d'oxyde (12) qui la recouvre sont gravées, et où l'on fait croître un oxyde épais (4). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'entre la première et la deuxième étapes, il comporte une étape supplémentaire au cours de laquelle seules les couches de nitrure (3) et de silicium poly-cristallin (10) sont gravées dans les zones où l'on veut faire croître un oxyde épais, et où l'on réalise une croissance d'oxyde (13) à partir du silicium poly-cristallin (10) intercalé entre les deux couches de nitrure (3, 11). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on supprime, dans les zones autres que celles où l'on a fait croître un oxyde épais (4), les couche de nitrure (3) et de silicium poly-cristallin (10), et l'on conserve la couche mince de diélectrique (2). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on réalise par implantation à travers la couche mince de diélectrique une diode auto-alignée avec deux des zones d'oxyde épais obtenues. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on réalise une ouverture de contact autoalignée avec les deux zones d'oxyde épais délimitant la diode en supprimant la couche mince de diélectrique dans cet intervalle.