Brevet FR2595165A1 — publié le 19870904

Dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel et procédé pour sa production. La présente invention se rapporte à un disposi- tif à semi-conducteurs du type tridimensionnel ainsi qu'à un procédé pour sa production, et plus particuliè- rement elle concerne un dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel présentant une distance réduite d'interconnexion entre couches et un procédé pour sa production. Récemment, un circuit tridimensionnel présentant une distance réduite entre les dispositifs à semi- conducteurs a été réalisé. Ce genre de circuit tridimen- sionnel est décrit dans un article de H. Shichijo et al., intitulé "POLYSILICON TRANSISTORS IN VLSI MOS MEMO- RIES", IEDM, SESSION 9.1, 1984, pp. 228-231 (Transistors au polysilicium dans les mémoires VLSI MOS IEDM, Session 9.1, 1984, pp. 228-231). La figure 1 est une vue en coupe transversale montrant un exemple d'un dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel classique. En référence à la figure 1, on va maintenant décrire la structure d'un dispositif à semi-conducteurs tridimensionnel classique. Dans la figure 1, une couche d'isolation 3 est formée sur une première couche 1 de circuit intégré à semi-conducteurs (désignée première couche) et une deuxième couche 2 à circuit intégré à semi-conducteurs (désignée deuxième couche) est formée sur la couche d'isolation 3. De façon plus spécifique, la première couche comprend des zones actives 12, des couches d'isolation 13 et des couches intermédiaires 11 destinées à l'inter- connexion des zones actives 12 entre elles. Chaque dis- positif élémentaire à semi-conducteurs comprend un tran- sistor MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique) comportant une électrode de porte ou grille 14. En outre, la deuxième couche comprend les zones ac- tives 22, les couches d'isolation 23 et les couches in- termédiaires 21 destinées à l'interconnexion des zones actives entre elles. Chaque dispositif élémentaire à semi-conducteurs comprend un transistor MOS (à semi- conducteurs à grille isolée par oxyde métallique) com- portant une électrode de porte ou grille 24. Les premiè- re et deuxième couches sont reliées électriquement entre elles par un trou traversant 4. Selon le dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel classique montré à la figure 1, pour coupler électriquement le dispositif élémentaire à semi- conducteurs incorporé dans la première couche au dispo- sitif élémentaire à semi-conducteurs incorporé dans la deuxième couche, une connexion entre couches à travers le trou traversant 4 doit être utilisée. Par exemple, dans la figure 1, afin de connecter électriquement une zone active 22b dans le dispositif élémentaire à semi- conducteurs incorporé dans la deuxième couche à une zone active 12b dans le dispositif élémentaire à semi-conduc- teurs incorporé dans la première couche, laquelle est située immédiatement au-dessous de la zone active 22b, le trou traversant 4 a été prévu latéralement à une cer- taine distance des zones actives dans les dispositifs élémentaires à semi-conducteurs et on applique une con- nexion entre couches à travers le trou traversant 4. Ainsi, la distance d'interconnexion du dispositif élé- mentaire à semi-conducteurs dans différentes couches a été augmentée de sorte qu'il n'a pas été possible d'ob- tenir une distance courte entre les dispositifs, la- quelle distance constitue l'une des caractéristiques du circuit tridimensionnel. De façon plus spécifique, lors- que la distance d'une interconnexion est augmentée de cette manière, il faut tenir compte de la résistance et de la capacité d'interconnexion en fonction des maté- riaux d'interconnexion. De plus, étant donné que le trou traversant est prévu dans une position séparée des dis- positifs élémentaires à semi-conducteurs, le dispositif à semiconducteurs classique montré à la figure 1 se révèle très désavantageux du point de vue de l'amélio- ration de l'intégration. En bref, la présente invention fournit un dispo- sitif à semi-conducteurs du type tridimensionnel com- prenant une première couche de circuit intégré à semi- conducteurs incorporant au moins un premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs comportant des zones ac- tives, des premières couches d'isolation formées sur le premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs et des premières couches d'interconnexion formées sur les pre- mières couches d'isolation et reliées aux zones actives dans le premier dispositif élémentaire à semi-conduc- teurs; une deuxième couche d'isolation formée sur la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs; une deuxième couche de circuit intégré à semi-conduc- teurs formée sur la deuxième couche d'isolation et in- corporant au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs comportant des zones actives, des troi- sièmes couches d'isolation formées sur le deuxième dis- positif élémentaire à semi-conducteurs et des deuxièmes couches d'interconnexion formées sur les troisièmes cou- ches d'isolation et reliées aux zones actives dans le deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs; au moins un trou de contact de configuration droite pour atteindre directement la première couche de circuit in- tégré à semi-conducteurs à partir des zones actives dans au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi- conducteurs; et au moins une connexion entre couches re- liant directement l'une des zones actives dans le deu- xième dispositif élémentaire à semi-conducteurs à la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs à travers le trou de contact. Conformément à un autre aspect de la présente invention, un procédé de production d'un dispositif à semi-conducteurs de type tridimensionnel comprend les étapes consistant à préparer une première couche de cir- cuit intégré à semi-conducteurs comprenant au moins un premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs com- portant des zones actives, des premières couches d'iso- lation formées sur le premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs et des premières couches d'intercon- nexion formées sur les premières couches d'isolation et reliées aux zones actives dans le premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs; à former une deuxième couche d'isolation sur la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs; à former des zones actives destinées à être incorporées dans au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs sur la deu- xième couche d'isolation; à former au moins un trou de contact de configuration droite pour atteindre directe- ment la première couche de circuit intégré à semi- conducteurs à partir de l'une des zones actives dans au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi-conduc- teurs; à former au moins une connexion entre couches reliant directement l'une des zones actives dans le deu- xième dispositif élémentaire à semi-conducteurs et la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs à travers le trou de contact; à former les troisièmes cou- ches d'isolation sur le deuxième dispositif élémentaire à semiconducteurs; et à former des deuxièmes couches d'interconnexion sur les troisièmes couches d'isolation devant être reliées aux zones actives dans le deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs. Par conséquent, un objet principal de la pré- sente invention consiste à fournir un dispositif à semi- conducteurs du type tridimensionnel présentant une dis- tance réduite d'interconnexion des dispositifs élémen- taires à semi-conducteurs incorporés dans différentes t 2595165 couches de circuit intégré à semi-conducteurs entre eux et un procédé de production de ceux-ci. Un avantage principal de la présente invention réside en ce qu'étant donné qu'un trou de contact et une connexion entre couches sont formés pour atteindre di- rectement une première couche de circuit intégré à semi- conducteurs à partir de l'une des zones actives dans les dispositifs élémentaires à semi-conducteurs incorpo- rés dans une deuxième couche à circuit intégré à semi- conducteurs, la distance de la connexion entre couches reliant les dispositifs élémentaires à semi-conducteurs entre eux peut être réduite. Un autre avantage de la présente invention rési- de en ce qu'étant donné qu'une distance de connexion entre couches peut être réduite, on ne rencontre aucun problème relatif à la résistance et à la capacité de l'interconnexion elle-même. Un autre avantage encore découle du fait qu'é- tant donné qu'il n'est pas nécessaire de prévoir un trou traversant dans une position séparée par rapport aux dispositifs élémentaires à semi-conducteurs, il est pos- sible d'améliorer l'intégration. Ces objets et autres objets, caractéristiques, aspects et autres avantages de la présente invention, apparaîtront plus clairement à la lecture de la descrip- tion détaillée suivante de la présente invention en ré- férence au dessin ci-annexé. La figure 1 est une vue en coupe transversale montrant un exemple d'un dispositif à semi-conducteurs de type tridimensionnel classique; et la figure 2 est une vue en coupe transversale montrant un dispositif à semi-conducteurs du type tri- dimensionnel selon un mode de réalisation de la présente invention. La structure du dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel selon un mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrite en réfé- rence à la figure 2. Le dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel montré à la figure 2 comprend généralement une première couche 1 de circuit intégré à semi-conduc- teurs, une couche d'isolation 3 formée sur celle-ci et une deuxième couche 2 de circuit intégré à semi-conduc- teurs formée sur celle-ci, de façon similaire au dispo- sitif à semi-conducteurs de type tridimensionnel clas- sique montré à la figure 1. De façon plus spécifique, la première couche comprend des zones actives 12, des cou- ches d'isolation 13 et des couches d'interconnexion 11 destinées à l'interconnexion des zones actives 12 entre elles, chaque dispositif élémentaire à semi-conducteurs comprend un transistor MOS (à semiconducteurs à grille isolée par oxyde métallique) comportant une électrode de porte 14. Par ailleurs, la deuxième couche comprend les zones actives 22, les couches d'isolation 23 et les couches d'interconnexion 21 destinées à l'interconnexion des couches actives 22 entre elles, chaque dispositif élémentaire à semi-conducteurs comprenant un transistor MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métal- lique), comportant une électrode de porte 24 ou grille. Selon un mode de réalisation montré à la figure 2, un trou traversant n'est pas formé dans une position sépa- rée par rapport aux dispositifs élémentaires à semi- conducteurs dans chaque couche comme cela est montré à la figure 1. En revanche, un trou de contact 3 et une connexion entre couches 5a sont formés pour le couplage direct d'une zone active 22a dans la deuxième couche à une couche d'interconnexion 11a dans la première couche, un trou de contact droit et une interconnexion entre couches 5b destinés au couplage direct d'une zone active 22b dans la deuxième couche à une zone active 12b dans la première couche, et un trou de contact droit et une connexion entre couches 5c pour le couplage direct d'une zone active 22c dans la deuxième couche à une électrode de porte ou grille 14c d'un transistor MOS (transistor à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique) dans la première couche. On va maintenant décrire un procédé de fabrica- tion du dispositif à semi-conducteurs du type tridimen- sionnel selon un mode de réalisation de la présente invention montré à la figure 2. Une première couche de circuit intégré à semi- conducteurs est formée par un procédé de fabrication classique pour un dispositif MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique) et ensuite la couche d'isolation 3 est formée par une pellicule d'oxyde de silicium ou similaire. Une couche de silicium monocristallin est formée sur la couche d'isolation 3 et ensuite le dispositif élémentaire à semi-conducteurs dans la deuxième couche est formé par un procédé de fabrication classique pour un dispositif MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique). Un trou de contact atteignant la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs est pratiqué par usinage ionique réactif ou similaire. Le trou de contact est rempli d'aluminium, de siliciure métallique réfrac- taire ou similaire, en utilisant le procédé de gravure par crépitement, le procédé CVD (dépôt en phase gazeuse par procédé chimique) ou similaires de façon & former les connexions entre couches 5a, 5b et 5c. Il est sou- haitable que les connexions entre-couches 5a, 5b et 5c soient parfaitement enrobées dans le trou de contact comme cela est montré à la figure 2. Toutefois, dans un procédé de fabrication réel il suffit que les connexions entre couches 5a, 5b et 5,c, les zones actives 22a, 22b et 22c dans la deuxième couche soient reliées à la sur- face de la paroi des zones actives respectives. Ainsi, comme cela est montré à la figure 2, il n'est pas néces- saire que le trou de contact soit parfaitement rempli. On termine le dispositif à semi-conducteurs de type tridimensionnel montré à la figure 2 en formant des couches d'interconnexion 21. On va maintenant décrire le fonctionnement du d- ispositif à semiconducteurs du type tridimensionnel selon un mode de réalisation de la présente invention montré à la figure 2. Selon le dispositif à semi-conducteurs du type tridimensionnel montré à la figure 2, étant donné que les zones actives 22a, 22b et 22c dans la deuxième cou-' che, et la couche d'interconnexion 11a, la zone active 12b et l'électrode de porte ou grille 14c dans la première couche, lesquelles sont respectivement situés immédiatement au-dessous des zones actives 22a, 22b sont directement reliées par les connexions entre couches 5a, b et 5c par l'intermédiaire des trous de contact de configuration droite, il est possible de réduire la dis- tance entre les dispositifs élémentaires à semi-conduc- teurs incorporés dans les différentes couches de circuit intégré à semiconducteurs, contrairement à ce qui était le cas lorsqu'elles étaient connectées par un trou tra- versant formé dans une position séparée par rapport au dispositif élémentaire à semi-conducteurs montré à la figure 1. En outre, étant donné qu'il n'est plus néces- saire de prévoir le trou traversant dans une position séparée par rapport au dispositif élémentaire à semi- conducteurs, on peut améliorer l'intégration du disposi- tif à semi-conducteurs du type tridimensionnel. De plus, étant donné qu'un trou de contact et une connexion entre couches sont réalisés après la formation du dispositif élémentaire à semiconducteurs dans la deuxième couche, aucune formation de gradins ne se produit et des matières hétérogènes n'apparaissent pas à la surface de la couche d'isolation 3 sous-jacente lorsqu'une couche en silicium monocristallin est formée dans la deuxième couche de sorte qu'il est désormais possible de former facilement une couche en silicium mo- nocristallin de bonne qualité sur la couche d'isolation 3. Bien que le mode de réalisation précité décrive une structure connectée entre deux couches de circuit intégré à semi-conducteurs, il est possible de réaliser une structure connectée entre plus de deux couches. En outre, bien que dans le mode de réalisation décrit ci-dessus, un transistor MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique) soit empilé sous forme de dispositif élémentaire à semi-conducteurs dans chaque couche, on peut empiler un transistor bipolaire et l'autre dispositif à semi-conducteurs, auquel cas on obtient le même effet. De surcroît, bien que dans le mode de réalisa- tion décrit ci-dessus un trou de contact et une con- nexion entre couches soient réalisés après la formation d'une deuxième couche à semi-conducteurs incorporant un dispositif élémentaire à semiconducteurs, un trou de contact et une connexion entre couches peuvent être ré- alisés après la formation d'une couche au silicium mono- cristallin dans la deuxième couche et avant la formation d'un dispositif élémentaire à semi-conducteurs dans la deuxième couche. Bien que la présente invention ait été décrite et illustrée dans le détail, il demeure bien entendu que celle-ci n'est faite qu'à titre d'exemple non limitatif. REVENDICATIONS 1. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel comprenant: une première couche de circuit intégré à semiconducteurs, cette couche incorporant au moins un premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs comportant des zones actives, des premières couches d'isolation formées sur ce premier dispositif, et des premières couches d'interconnexion formées sur ces premières couches d'isolation et reliées aux zones actives dans ce premier dispositif élémentaire, une deuxième couche d'isolation formée sur la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs, une deuxième couche de circuit intégré à semi- conducteurs formée sur la deuxième couche d'isolation, la deuxième couche de circuit intégré comprenant au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs comportant des zones actives, des troisièmes couches d'isolation formées sur le deuxième dispositif élémentaire à semiconducteurs, et des deuxièmes couches d'interconnexion formées sur les troisièmes couches d'isolation et reliées aux zones actives dans le deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs, caractérisé par au moins un trou de contact de configuration droite pour atteindre directement la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs depuis l'une des zo- nes actives dans au moins un deuxième dispositif élé- mentaire à semi-conducteurs, et au moins une connexion entre couches reliant directement l'une des zones actives dans le deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs et la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs par l'in- termédiaire du trou de contact. 2. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trou de contact est formé pour atteindre di- rectement l'une des zones actives dans le premier dispo- sitif élémentaire à semi-conducteurs dans la première couche du circuit intégré à semi-conducteurs. 3. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le trou de contact est formé pour atteindre di- rectement la première couche d'interconnexion dans la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs. 4. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif élémentaire à semi- conducteurs comprend un transistor MOS (à semi-conduc- teurs à grille isolée par oxyde métallique) comportant une électrode de porte ou grille. 5. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 4, caractérisé en ce que le trou de contact est formé pour atteindre di- rectement l'électrode de porte ou grille du transistor MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde mé- tallique). 6. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone active dans le deuxième dispositif élé- mentaire à semi-conducteurs et la connexion entre cou- ches sont reliées à la surface de la paroi de la zone active. 7. Dispositif à semi-conducteurs du type tridi- mensionnel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la connexion entre couches est constituée par du siliciure métallique réfractaire ou de l'aluminium. 8. Procédé pour la production d'un dispositif à semiconducteurs du type tridimensionnel comprenant les étapes consistant à: préparer une première couche de circuit intégré à semi-conducteurs incorporant au moins un premier dis- positif élémentaire à semi-conducteurs comportant des zones actives, des premières couches d'isolation formées sur le premier dispositif élémentaire à semi-conducteurs et des premières couches d'interconnexion formées sur les premières couches d'isolation et reliées aux zones actives dans le premier dispositif élémentaire à semi- conducteurs, former une deuxième couche d'isolation sur la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs, former des zones actives qui doivent être in- corporées dans au moins un deuxième dispositif élémen- taire à semi-conducteurs sur la deuxième couche d'iso- lation, former au moins un trou de contact de configu- ration droite pour atteindre directement la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs à partir des zones actives dans au moins un deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs, former au moins une connexion entre couches reliant directement une des zones actives dans le deu- xième dispositif élémentaire à semi-conducteurs et la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs à travers le trou de contact, former les troisièmes couches d'isolation sur le deuxième dispositif à semiconducteurs, et former des deuxièmes couches d'interconnexion sur les troisièmes couches d'isolation à relier aux zo- nes actives dans le deuxième dispositif élémentaire à semi-conducteurs. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le trou de contact est formé par usinage ioni- que réactif. 10. Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que le trou de contact est formé pour atteindre directement une des zones actives dans le premier dispo- sitif élémentaire à semi-conducteurs dans la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs. 11. Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que le trou de contact est formé pour atteindre directement la première couche d'interconnexion dans la première couche de circuit intégré à semi-conducteurs. 12. Procédé selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que le premier dispositif élémentaire à semi- conducteurs comprend un transistor MOS (à semi-conduc- teurs à grille isolée par oxyde métallique) comportant une électrode de porte ou grille. 13. Procédé selon la revendication 12, caracté- risé en ce que le trou de contact est formé pour attein- dre directement l'électrode porte ou grille du transis- tor MOS (à semi-conducteurs à grille isolée par oxyde métallique). 14. Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que la connexion entre couches est consti- tuée par du siliciure métallique réfractaire ou de l'aluminium.