Brevet FR2616590A1 — publié le 19881216

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE COUCHE DISOLANT ENTERREE DANS UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR PAR IMPLANTATION IONIQUE ET STRUCTURE SEMI-CONDUCTRICE COMPORTANT CETTE COUCHE. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'une couche continue d'oxyde ou de nitrure, enterrée dans un substrat semi-conducteur, par implantation d'ions oxygène ou azote dans le substrat ainsi que des structures semi- conductrices comportant cette couche enterrée d'oxyde ou de nitrure. Elle s'applique en particulier dans le domaine de la fabrication de circuits intégrés MIS (métal-isolant-semi- conducteur), CMOS (métal-oxyde-semi-conducteur complémentaire) ou circuits bipolaires du type silicium sur isolant, présentant une grande rapidité de fonctionnement, éventuellement une grande résistance aux radiations ionisantes et devant dissiper de fortes puissances. Elle s'applique aussi dans le domaine de l'optique guidée, éventuellement intégrée, pour la réalisation de guide de lumière plans ou rubans. La technologie silicium sur isolant ou technologie SSI constitue une amélioration sensible dans le domaine de la micro- électronique par rapport aux techniques standards dans lesquelles les composants actifs des circuits intégrés sont réalisés directement sur un substrat monocristallin en silicium massif. En effet, l'emploi d'un support isolant conduit à une forte diminution des capacités parasites entre la source et le substrat d'une part, et le drain et le substrat d'autre part, des composants actifs des circuits et donc à un accroissement de La vitesse de fonctionnement de ces circuits. Cette technologie SSI conduit aussi à une simplification notable des procédés de fabrication, à une augmentation de la densité d'intégration, à une meilleure tenue aux hautes tensions et à une faible sensibilité aux rayonnements du fait que Le volume de silicium monocristallin est faible. L'une des technologies SSI actuellement connues + + consiste à implanter des ions d'oxygène O ou d'azote N à fortes doses dans du silicium monocristallin massif permettant de former, après un recuit du substrat à haute température, une couche isolante enterrée d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium. Ce procédé connu sous le nom de procédé SIMOX (separation by implanted oxygen en terminologie anglo-saxonne) a fait l'objet d'un grand nombre de publications. A cet effet, on peut citer l'article P.L.F. Hemment + + "Silicon on insulator formed by O or N ion implantation" paru dans Mat. Res. Soc. Symp. vol. 53, 1986; l'article J. Stoemenos et aL. "New conditions for synthesizing SOI structures by high dose oxygen implantation", paru dans Journal of Crystal Growth 73 (1985) 546-550; l'article de M. Bruel et aet. "High temperature annealing of SIMOX layers", paru dans E-MRS- Strasbourg, juin 1986, p. 105-119; l'article de J. Stoemenos et al. paru dans Appl. Phys. Lett. 48 (21), du 26 mai 1986, p. 1470-1472, intitulé "SiO2 buried layer formation by subcritical dose oxygen ion implantation" ou encore l'article de G. K. Celler et at. "High quality Si-On-SiO films by large dose oxygen implantation and lamp annealing", paru dans Appl. Phys. Lett. 48 (8), du 24 février 1986, p.532-534. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en coupe longitudinale, la structure semi-conductrice obtenue conformément au procédé SIMOX. Cette structure comporte un substrat massif 2 en silicium monocristallin surmonté d'une couche 4 d'oxyde de silicium (SiO), elle-même recouverte d'un film 6 de silicium monocristallin. L'interface 8 Si/SiO entre le film monocristallin 6 et la couche d'oxyde 4 est appelée "interface avant" et l'interface Si/SiO entre le substrat massif 2 et la couche d'oxyde 4 est appelée "interface arrière". Les conditions standards de la technologie SIMOX pour la formation d'une couche d'oxyde sont: des doses 18 + 2 d'implantations d'oxygène de 1,6 à 2,5.10 ions 0 /cm, une énergie d'implantation de 200 keV, un chauffage du substrat pendant l'implantation à une température allant de 500 à 700 C, puis un recuit à haute température pour parfaire la formation de la couche de silice enterrée, à des températures allant de 1150 à 1405 C. En particulier, le recuit est effectué à 1300 C pendant 6 heures (voir les articles ci- dessus de Stoemenos et de Bruel) ou à 14050C pendant 30 minutes comme décrit dans l'article de Celler. Le recuit haute température induit une ségrégation de tout l'oxygène implanté vers l'intérieur de la couche enterrée d'oxyde de silicium. En particulier, le film de silicium 6 surmontant la couche d'oxyde 4 ne contient plus aucun précipité d'oxyde comme indiqué dans l'article de Bruel. Le procédé SIMOX largement employé présente un certain nombre d'inconvénients. En particulier, le passage des ions oxygène ou d'azote dans le silicium endQmmage plus ou moins le film de silicium monocristallin 6, créant des défauts référencés 12 sur la figure 1, souvent irréparables. Ces défauts sont en particulier des dislocations dites traversantes ancrées à l'interface 8 Si/SiO, traversant le film de silicium 6 et débouchan à la surface 14 de ce film. Leur densité varie entre 6 0 2 et 10 /cm Sur la figure 2, qui est un cliché d'une structure semiconductrice obtenue en implantant des ions d'oxygène à une 18 2 dose de 1,6.10 ions/cm dans un substrat en silicium chauffé à 600 C, puis en recuisant le substrat à 13000C pendant 6 heures, les dislocations traversant le film de silicium monocristallin apparaissent clairement. Ce cliché est une microscopie par transmission électronique sur tranche (X TEM). Ces défauts ou dislocations du film de silicium entrainent une diminution des performances des composants électriques fabriqués ultérieurement dans la couche semi- conductrice 6 en pouvant être par exemple la source de fuite de jonction engendrant ainsi des courants de fuite importants. Dans le domaine de l'optique guidée, ces dislocations perturbent La lumière véhiculée par la couche de silice enterrée entrainant des pertes de lumière. Par ailleurs, la qualité de la couche d'oxyde de silicium enterrée n'est pas parfaite. En particulier, celle-ci comporte des ilôts de silicium 16 qui sont très gênants notamment en micro-électronique dans la mesure o ils diminuent la tenue en tension de la couche d'oxyde 4 et peuvent représenter des sites privilégiés pour le piégeage de charges. Ces ilôts de silicium apparaissent clairement sur la figure 2. La présence des ilôts ou précipités de silicium dans la couche d'oxyde est particulièrement gênante dans le cas de transistors MIS réalisés dans le film semi-conducteur 6. A cet effet, on a représenté sur la figure 3 un transistor avant 18 comportant une source 20 et un drain 22 définis respectivement par implantation d'ions de type n ou p dans le film monocristallin 6 ainsi qu'une grille 24 généralement réalisée en silicium polycristallin, surmontant le film de silicium 6 et isolée de celui-ci par l'oxyde de grille 26. Le canal 28 du transistor avant 18 est défini sous l'oxyde de grille 26, entre la source et le drain de ce transistor. Associé à ce transistor avant 18, on trouve un transistor arrière 30 dont le canal 32 est situé entre la source et le drain 22; la couche d'oxyde enterrée 4 joue le rble d'oxyde de grille et le substrat massif en silicium 2 joue le rôle de grille de ce transistor arrière. La présence des ilôts de silicium 16 dans la couche d'oxyde enterrée 4 peut jouer en particulier le rôle de grille flottante et modifier la tension de seuil de ce transistor arrière 30 pouvant ainsi entraîner son déclenchement intempestif. L'emplacement précis de ces ilôts de silicium 16 dépend de la dose d'implantation des ions oxygène. En effet, pour de 18 2 faibles doses d'implantation, inférieures à 1,4.10 ions/cm, ces ilôts 16 se trouvent à l'intérieur de la couche d'oxyde 4, comme le montre la figure 2 de l'article ci-dessus de Stoemenos 2616 5 9 0 paru dans AppL. Phys. Lett. Dans le cas de doses comprises entre 1,4 et 1,6.10 ions/cm, la présence de ces il8ts de silicium est limitée aux interfaces Si/SiO2 avant 8 et arrière 10 (figure 1) comme le montre la figure 5 de L'article de Bruel. Enfin pour des doses plus élevées, supérieures à 18 - 2 1,6.10 ions/cm, on observe la présence de ces ilôts de silicium uniquement à proximité de l'interface arrière 10 comme décrit dans l'article de Stoemenos paru dans Journal of Crystal Growth. C'est cette dernière configuration qui est- représentée sur les figures 1 et 2. La formation de ces il8ts de silicium, encore appelés précipités de silicium, a été expliquée dans l'article de Bruel; elle résulte de l'évolution après le recuit à haute température (1300 C environ) d'interfaces Si/SiO non abruptes, ces interfaces présentant une structure lamellaire. La formation de ces ilôts est inévitable. Etant donné que le coefficient de diffusion du silicium à travers l'oxyde de silicium est extrêmement faible (de l'ordre -29Z de 10 /cm à 4000C), les inventeurs ont trouvé que la seule façon d'éliminer les précipités de silicium de la couche d'oxyde était de les oxyder. Le procédé selon l'invention permet cette oxydation des précipités de silicium. Par ailleurs, les inventeurs ont mis en évidence dans un article "Selfinterstitial migration in Si implanted with oxygen" paru dans Physica Scripta, vol. 35, 42-44 de 1987 que la formation de la couche enterrée d'oxyde de silicium 4 (figure 1) met en jeu un flux important, vers la surface 14 de la structure, d'atomes de silicium déplacés hors de leurs sites dans le cristal et se trouvant donc en site interstitiel. Lors de l'implantation, les précipités d'oxyde de siLicium qui se forment dans le film monocristallin 6 bloquent "la migration" vers la surface 14 des atomes interstitiels de silicium qui.ont donc tendance à se condenser sous la forme de boucles de dislocation, de part et d'autre de la couche enterrée d'oxyde. Le nombre de boucles de dislocation augmente avec la dose d'ions oxygène implantés. Ce sont ces boucles de dislocation qui, après recuit à haute température, donnent lieu à la formation des dislocations traversantes 12 dans te film semi- conducteur. Le procédé selon l'invention en plus de l'élimination des précipités de silicium présents dans la couche d'oxyde de silicium permet de diminuer la densité des dislocations, et en particulier des dislocations traversantes, présentes dans le film de silicium surmontant la couche d'oxyde de silicium. Bien que les phénomènes de formation de défauts dans le film monocristallin de silicium et d'obtention d'une couche + isolante enterrée, résultant de l'implantation d'ions N dans un substrat en silicium en vue de former une couche de nitrure de silicium enterrée, soient mal connus, l'invention s'applique aussi à l'obtention d'une couche enterrée de nitrure et permet une amélioration des propriétés cristallines de cette couche de nitrure et du film monocristallin surmontant cette dernière. A cet effet, le procédé selon l'invention a trait à la fabrication d'une couche continue d'isolant, enterrée dans un substrat semi-conducteur, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on effectue plusieurs implantations ioniques successives d'oxygène ou d'azote dans le substrat, à des doses inférieures à 18 2 1,5.10 ions/cm, chaque implantation étant suivie d'un recuit du substrat à une température supérieure à 8000C, mais inférieure à la température de fusion du substrat, afin de former une couche isolante enterrée respectivement d'oxyde ou de nitrure. Ce procédé permet d'une part de diminuer fortement le taux de dislocation du film semi-conducteur formé au-dessus de la couche isolante enterrée, et d'autre part d'éliminer la présence des précipités de matériaux semiconducteurs observés dans la couche enterrée isolante par oxydation ou nitruration de ces précipités suivant que l'on implante des ions oxygène ou azote. Conformément à l'invention, on effectue l'implantation d'ions oxygène ou azote en plusieurs étapes. La dose d'ions impLantés à chaque implantation ionique est inférieure à la dose totale d'ions que l'on désire implanter. En outre, le nombre d'implantations est fonction de la dose totale d'ions que l'on désire voir implanter et de la dose d'ions implantés à chaque implantation. La dose totale d'ions dépend des épaisseurs de La couche d'isolant et du film monocristallin surmontant cette couche isolante que l'on désire obtenir. Pour une énergie d'implantation donnée, l'épaisseur de La couche d'isolant croit avec le nombre et la dose d'implantation et inversement, l'épaisseur du film monocristallin surmontant la couche d'isolant décroît avec le nombre et la dose d'implantation. Par ailleurs, le nombre d'implantations et la dose d'ions implantés à chaque implantation dépend de la nature des ions et de la nature du substrat dans lequel ces ions sont implantés. + Dans le cas d'une implantation d'ions 0 dans un substrat en silicium, le nombre d'implantations peut par exemple varier de 2 à 10 et la dose 'ions implantés à chaque 16 2 implantation varier de 10 à 0,9.10 ions/cm. En particulier pour une couche d'oxyde de silicium enterrée respectivement de 330 et de 400 nm d'épaisseur pour un film de silicium monocristallinri respectivement de 260 et de 200 nm, on peut utiliser respectivement 5 et 6 implantations ioniques d'oxygène, 17 2 à des doses de 3.10 ions/cm, ce qui correspond à une 18 2 monoimplantation de respectivement 1,5 et 1,8.10 ions/cm. Les énergies d'implantation sont fonction de la profondeur de pénétration des ions; plus l'énergie croit, plus la profondeur de pénétration croit. Les énergies sont par exemple comprises entre 100 et 1000 keV. Conformément à l'invention, on peut par exemple implanter des ions d'oxygène ou des ions d'azote dans un substrat en silicium monocristallin. Pour un substrat en silicium, l'implantation d'ions oxygène conduit à l'obtention d'une couche enterrée en SiO2 et 2616 5 9 0 L'implantation ionique d'azote à La formation d'une couche enterrée de nitrure de silicium de formule Si N. 3 4 Afin de réaliser un recuit insitu des défauts cristallins créés par l'implantation ionique,autrement dit afin d'éviter de rendre amorphe le film semi-conducteur et d'améliorer sa qualité, on effectue avantageusement, pendant l'implantation, un chauffage du substrat. Ce chauffage pour un substrat en silicium varie de 500 à 700 C. La température du recuit suivant chaque implantation ionique dépend de la nature du substrat semi-conducteur. En outre, plus la température de recuit est élevée, plus la durée de ce recuit sera courte. Pour un substrat en silicium, la température du recuit est supérieure à 1100oC et peut aller de 1150 à 1400 C et avantageusement aller de 1300 à 1400 0C; la température de fusion du silicium est égale à 14150C. Le procédé selon l'invention permet la réalisation de structures semiconductrices comportant une couche isolante intercalée entre un substrat semi-conducteur et un film semi- conducteur, obtenue par implantation ionique d'oxygène ou d'azote dans le substrat, caractérisé en ce que le film semi-conducteur 2 présente un taux de dislocations inférieur à10 par cm et en ce que la couche isoLante est homoène. La valeur 10 par cm est due à la limite de détection par microscopie électronique planaire actuelle. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif. La description se réfère aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement, en coupe longitudinale, une structure obtenue par le procédé SIMOX conformément à l'art antérieur, - la figure 2 est un cliché en microscopie par transmission électronique sur tranche d'une structure obtenue en implantant des ions oxygène dans du silicium monocristallin selon 2616 5 9 0 l'art antérieur, - la figure 3, déjà décrite, représente schématiquement, un transistor MOS réalisé dans une couche de silicium surmontant une couche d'oxyde de silicium, - la figure 4 illustre le procédé de fabrication d'une couche d'oxyde de silicium enterrée, et - la figure 5 est un cliché en microscopie par transmission électronique sur tranche d'une structure obtenue avec le procédé selon l'invention. Dans un exemple de mise en oeuvre particulier du procédé selon l'invention, illustré sur la figure 4, on effectue, dans un substrat en silicium monocristallin 102, une première + 18 2 implantation d'ions 0 103 à une dose de 0,8.10 ions/cm avec une énergie de 200 keV. On obtient une couche d'oxygène implantée 105 surmontée d'un film 106 de silicium monocristallin, comme indiqué sur la partie (a) de la figure 4. Un chauffage du substrat à une température de l'ordre de 600 C, pendant l'implantation, constitue en particulier une étape de recuit permettant d'améliorer la qualité cristalline du film semi- conducteur 106. On effectue ensuite un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) d'une couche d'encapsulant 107 d'oxyde de silicium de 600 nm d'épaisseur, comme illustré sur la partie (b) de la figure 4, assurant une protection du film de silicium 106 lors du recuit à haute température. Ce recuit est effectué à 1320 C pendant 6 heures. Conformément à l'invention, la première implantation ionique suivie du premier recuit à haute température (supérieure à 1100 C) conduit à une couche enterrée 104 d'oxyde de silicium SiO2 contenant de très nombreux précipités ou ilôts de silicium localisés à l'intérieur de la couche d'oxyde de silicium comme illustré dans l'article Appl. Phys. Lett. de Stoemenos cité précédemment. On élimine ensuite la couche d'encapsulation par une gravure chimique avec un bain d'attaque comprenant du FH et du 2616 5 9 0 FNH. On effectue alors une nouvelle implantation ionique 18 2 d'oxygène à une dose de 0,8.10 ions/cm, avec une énergie de keV. On dépose à nouveau une couche d'encapsulant 107 par PECVD puis on effectue un nouveau recuit à 13200C pendant 6 heures. La deuxième implantation suivie de son recuit a pour rôle d'apporter l'oxygène nécessaire à l'oxydation des précipités de silicium présents dans la couche d'oxyde enterrée 104 et de conduire ainsi à des interfaces Si/SiO avant 108 et arrière 10 abruptes. Apres élimination de la seconde couche d'encapsulation, on obtient la structure semi-conductrice représentée sur La partie (c) de la figure 4. Les deux implantations successives conduisent à une 18 2 dose totale implantée de 1,6.10 ions/cm. Ce mode opératoire permet d'obtenir une couche d'oxyde de silicium 104 de 380 nm d'épaisseur, et un film semi-conducteur 106 de l'ordre de 170 nm d'épaisseur. La structure obtenue dans ces conditions est représentée sur le cliché de la figure 5. Il ressort clairement de ce cliché qui a été établi enmicroscopie X par transmission électronique sur tranche connue sous l'abréviation X TEM que le film de silicium 106 surmontant la couche d'oxyde de silicium enterrée 104 est exempte de dislocations traversantes. Une caractérisation en TEM a montré que la densité de dislocations 2 dans le film de silicium est inférieure à 10 par cm2. Par ailleurs, la couche d'oxyde 104 est dépourvue d'ilâts de silicium et les interfaces avant et arrière 108 et 110 de Si/SiO sont 2 abruptes. Ceci est très important pour la réalisation de façon industrielle de circuits intégrés ou de guides d'onde ayant d'excellentes qualités respectivement électriques et optiques. - Le procédé selon l'invention conduit à la réalisation de structures silicium sur isolant d'excellente qualité. Il permet la réalisation de structures SIMOX contenant une très faible quantité de dislocations, inférieur à 10 /cm et comportant une couche d'oxyde de silicium enterrée exempte d'il8ts de Si et parfaitement homogène. Le procédé seLon l'invention ne remet pas en cause le caractère industriel de la fabrication des structures SIMOX mais permet en revanche une amélioration de la qualité de la couche de silicium monocristallin, rendant ainsi ce type de matériau plus compatible avec les exigences industrielles. Le procédé selon l'invention en dehors de la réalisation des circuits intégrés en technologie SSI peut être avantageusement utilisé pour la réalisation de guides d'onde en optique intégrée sur un substrat en silicium. Ces guides d'onde sont constitués d'une ou plusieurs couches de SiO et/ou de Si N Z 34 réalisées par implantation ionique d'oxygène ou d'azote conformément à l'invention avec des énergies d'implantations différentes, la profondeur d'implantation des ions croissant avec l'énergie d'implantation. La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre illustratif, toute modification, sans pour autant sortir du cadre de l'invention, pouvant être envisagée. En particulier, il est possible de réaliser l'implantation d'ions après avoir recouvert le substrat semi-conducteur par une couche encapsulante en SiO. L'utilisation de cette couche d'encapsulation est en particulier décrite dans l'article de Bruel cité précédemment. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une couche continue d'isotant (104), enterrée dans un substrat semi-conducteur (102), caractérisé en ce que L'on effectue plusieurs impLantations Ioniques (103) successives d'oxygène ou d'azote dans le substrat, 18 2 I des doses inférieures à 1,5.10 ions/cm, chaque implantation étant suivie d'un recuit du substrat à une température supérieure à 800 C, mais inférieure à La température de fusion du substrat, afin de former une couche isotante (104) enterrée respectivement d'oxyde ou de nitrure. w0 2. Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce que le nombre d'implantations et la dose d'ions imptantés dépendent de la dose totale d'ions que L'on désire voir Implanter. 3. Procédé selon La revendication I ou 2, caractérisé en ce que Le substrat (102) est du silicium. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les recuits sont effectués à une température supérieure à 1100o0C. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les recuits sont effectués à une température allant de 1300 C à 14000C. 6. Procédé selon L'une.quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que L'on effectue, pendant l'implantation, un chauffage du substrat (102) afinde réaliser un 2s recuit in-situ des défauts cristallins créés par l'implantation ionique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le chauffage du substrat (102) est effectué à une température aLLant de 500 à 7000C pour un substrat en silicium. 8. Structure semi-conductrice comportant une couche isolante (104) intercalée entre un substrat semi-conducteur (102) et un film semiconducteur (106), et obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le film semi-conducteur (106) présente un taux de 2 dislocations inférieur à 10 par cm et en ce que la couche isolante (104) est homogène.