Brevet FR2648956A1 — publié le 19901228

PROCEDE DE FABRICATION DE L'OXYDE DE CHAMP D'UN CIRCUIT INTEGRE SUR DU SILICIUM DESCRIPTION La presente invention a pour objet un proceaé de fabrication de l'oxyde de champ d'un circuit intégré utilisable dans L'industrie de la microélectronique sur silicium. Elle concerne particulièrement l'isclla- tion électrique des composants actifs d'un circuit intégré réalisé sur le substrat en silicium tels que les transistors MOS ou bipolaires. Les procédés connus pour réaliser l'oxyde de champ d'un circuit intégré consistent à faire croi- tre sélectivement un oxyde epais sur la surface ou substrat en silicium, une couche de nitrure de silicium gravée servant de masque à cette oxydation épaisse. Le procédé le plus utilisé est connu sous le nom de procédé "LOCOS". Sur la figure 1, on a représenté schematiquement les differentes etapes de ce procédé LOCOS. La première etape de ce procéde consiste à faire croître thermiquement sur le substrat en silicium 2, comme représenté sur La partie a ce la figure 1, une couche mince 4 d'oxyde de silicium, appelée également oxyde piédestal, ayant une épaisseur de quelques dizaines de nanométres. On dépose ensuite, comme représenté sur la partie b de la figure 1, une couche de nitrure de silicium 6 repaisse, de plusieurs dizaines de nanomètres. Le role de l'oxyde piédestal est ae reduire la contrainte du nitrure de silicium déposé sur Le substrat. L'étape suivante au procédé, comme representé, sur la partie c de La figure 1, consiste à réaliser un masque photolithographique 8 masquant la région au substrat dans laquelle sera réalisé ultérieurement le composant électrique. A l'aide de ce masque 8, on effectue une gravure anisotrope aes coucnes ce nitrure 6 et d'oxyde 4 jusqu'à mise à nu des régions du substrat dans lesquelles doit etre réalisé L'oxyde de champ. Après élimination du masque de résine 8, on effectue une oxydation thermique épaisse de la structure, réalisant I 'oxyde de champ 10 comme représenté sur la partie a de la figure 1. Cet oxyde de silicium a une épaisseur allant de 40U à 1000 nm. Le procédé se termine en éliminant la couche de nitrure 6 ayant servi de masque à cette oxydation épaisse. Le procéde LOCOS est en particulier decrit dans l'article de J.A. APPELS et al. "Local oxydation of siticon and its applications in semiconductor-device technology", Phi lisps Res. Repts 25, de 1970, p. 118-132. De par sa simplicite de mise en oeuvre, ce procédé LOCOS est actuellement le seul procédé d'isolement capable de repondre aux exigences inoustrielles. Cependant, la présence ae l'oxyde piédestal favorise, pendant lå croissance thermique de l'oxyde de champ 10, la diffusion Latérale des espèces oxydantes, utilises pour former l'oxyde de champ, sous le masque 6 de nitrure de silicium conduisant ainsi, comme representé sur la figure 2, à un soulèvement important du masque de nitrure et à la croissance d'un oxyde 12 appele "Dec d'oiseau". La perte de cote L due à la présence du "bec d'oiseau" est de quelques centaines de nanomètres (300 nm pour un oxyde ae champ de 550 nm d'épaisseur formé à 95û C) et est inacceptable dans les nouvelles filières de fabrication submicronique aes circuits intégrés. Un certain nombre de procédés a été envisagé pour reduire cet oxyde "bec d'oiseau". Ces procédés consistent à former Le nitrure de silicium devant servir comme masque directement sur le substrat en silicium, en utilisant différentes techniques de scellement de l'interface nitrure de silicium-silictum. Ces procédés sont appelés procédés "SILO". L'une des tecnniques ce scellement connue consiste à aéposer sur le suos--at en silicium un film d'oxyde de silicium que l'on nitrure ensuite pour former une couche de scellement d'oxynitrure de silicium. La couche de nitrure de silicium devant servir de masque à l'oxydation tnermique est alors directement déposée sur la coucre c'oxynitrure ae silicium. Il est aussi possible ce former airectement cette couche d'oxynitrure de silicium sur le substrat en soumettant ce dernier à un mélange d'ammoniac et d'oxygène. Cette première technique de scellement est en particulier décrite dans le document US-A-4 764 248, amans l'articule ae J. HUI et al. "Selective oxydation tecnnolo3ies for higi censity censity MOS" IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-2, n 10 d'octobre 1981, p. 244-247 et dans l'article de H. TSAI et al "A bird's beak reduction technique for LOCuS in VLSI facrica- tion", IEEE Electron Device Letters, vol. EDL-7, n0 2, ae février 1Y86, p. 122-123. Une autre technique consiste à nettoyer chimiquement la surface du Substrat en silicium et à implanter à la surface de ce substrat des ions d'azote. La couche de nitrure ae silicium ainsi formée sert alors de masque à L'oxydation épaisse thermique. Cette technique est en particulier décrite dans l'article de K. SCHOTT et al. "Olocking of silicon oxydation by low-dose nitrogen implantation", Aool. Phys. A 45, 73-70 (1988), dans l'article de J. HUI et a I. al. "Sealed-interface local oxydation technology", IEEE Transaction on Electron Device, vol. ED-29, nO 4 d'avril 1982, p. 554-561, et dans l'article ae M. RAMIN et al. "Oxydation inhibiting properties of Si3N4-layers produced by ion implantation", Appl. Phys. 22, 393-397 (1980). Le procédé utilisant l'implantation ionique d'azote pour constituer oirectement le masque d'oxydatison du substrat en silicium necec'sife l'utilisation de faibles énergies d'implantation, en général beaucoup plus faibles que les énergies employees lors du dopage des transistors. Les études ont d'ailleurs souvent été menées sur des machines d'usinage ionique, travaillant à très fable énergie (inférieure à 5KeV) mais posant souvent des problémes de pollution. Lorsque les implantations sont réalises avec aes implanteurs "standard", travaillant à plus haute énergie (supérieure à 1UkeV), les épaisseurs de nitrure de silicium obtenues sont beaucoup plus importantes et une température d'oxydation relativement elevée cas mcins 1DSVOC) est nécessaire pour eviter la formation de défauts en bordure du masque de nitrure. Aussi, l'implantation ionique d'azote, pour fabriquer le masque nécessaire à l'oxydation thermique du substrat ne peut pas être utilisée industriellement pour la fabrication ae l'oxyde ae champ des circuits intégrés. Une troisième technique de scellement consiste à déposer directement sur le substrat une couche en nitrure de silicium. Cette technique est décrite en particulier dans l'article de P. DEROUX-DAUHPHIN et J. T. GONCHOND, "Physical and electrical characterization of a SILO isolation structure", IEEE Transac tions on Electron Devices, vol. EDL-32, nO 11, de novembre 1985, p. 2392-2398. Cette troisième technique ae scellement comprend essentiellement trois dépôts successifs un premier dépot ae nitrure de silicium suffisamment fin (une dizaine de nanometres) pour ne pas induire de contrainte dans le substrat en silicium, un dépôt d'oxyde de silicium sur le premier dépot de nitrure afin de relaxer Les contraintes d'un second dépot de nitrure devant servir de masque à l'oxydation athermique, ce second dépôt ae nitrure étant suffisamment épais (plusieurs dizaines de nanometres) pour éviter un soulèvement du masque pendant la croissance ae l'oxyde de champ. Malheureusement, la presence du moindre oxyde natif à la surface du substrat en silicium est suffisante pour permettre aux espèces oxydantes utilisees pour former l'oxyde de champ de diffuser sous le masque de nitrure de silicium et de former ainsi le "bec d'oiseau". Cet oxyde natif n'étant pas contrôlable, cette troisiéme technologie pose des problèmes ce re: ccucvicit te. Bien que cette dernière technique de scellement soit intéressante par les résultats obtenus dans le cas ou l'oxyde natif est quasiment inexistant, le problème de reprocactibilité du à la presence de cet oxyde natif dans la majorité des cas, le rend impossible à utiliser ae façon industrielle. On peut, bien entendu, éliminer l'oxyde natif, par exemple à l'aide d'une solution de HF, comme envisagé dans l'article ae DEROUX-DAUHPHIN ci-dessus, avant de depos e r la première couche de nitrure de silicium, mais ceci n'est pas suffisant puisque cet oxyde natif peut croitre pendant le transfert des plaquettes de silicium de la solution de décapage chimique vers l'enceinte de dépot de la couche de nitrure. Aussi, L'invention a pour obJet un nouveau procédé de fabrication de l'oxyde de champ d'un circuit intégré sur silicium permettant notamment ae remédier aux différents inconvénients donnés ci-dessus. En particulier, ce procédé, permet d'obtenir, de façon reproductible, une structure quasi-exempte de l'oxyde "bec d'oiseau" tout en restant simple à mettre en oeuvre. En effet, ce procécé n'utilise que des equipements classiques utilisés aans l'industrie de la microélectronique. De façon plus precise, l'invention a pour objet un procédé ae facrication ae L'oxyde de champ d'un circuit intégré oans un substrat en silicium, comprenant les étapes suivantes a) nitruration thermique du substrat et/ou de la couche d'oxyde natif le recouvrant eventuellement pour former une couche nitrure sur sa surface, b) dépôt d'un film mince de nitrure de silicium sur la couche nitrurée, c) dépôt d'une couche mince d'oxyde de silicium sur le film ce nitrure, d) dépôt d'une couche epaisse de nitrure de silicium sur la couche d'oxyde, e) gravure sèche anisotrope de l'empilement formé par la couche ae nitrure, la couche d'oxyde, le film d'oxyde et la coucne nitrurée, afin de decouvrir les regions du substrat dans lesquelles l'oxyde ae champ doit etre réaLisé, f) oxydation thermique de la structure obtenue en e) pour former l'oxyde de champ dans lesdites régions, puis, g) élimination duait empilement gravé. Ce procédé en plus des avantages donnés ci-dessus, permet d'obtenir une structure totalement exempte ae defauts dans une large gamme de temperatures d'oxydation pour former l'oxyde de champ, allant de 950 à 10500 C. Par ailleurs, les epaisseurs respectives aes trois coucnes déposées entre le substrat en silicium et la couche ae nitrure aevant servir de masque à l'oxydation peuvent être facilement ajustées ae façon à éviter d'induire des contraintes dans le substrat en silicium tout en évitant la formation de l'oxyde "bec d'oiseau". Afin d'assurer une parfaite reproductibilité au proceae selon l'invention, l'étape a) de nitruration thermique est effectuée pendant une courte durée et à une température stanoara allant de 950'C à 10500C ; un recuit ae 30 secondes à 9500C environ est suffisant pour octenir une coucne oe scellement tout à fait satisfaisante. De façon avantageuse, le film mince ae nitrur e de silicium et/ou l'une au moins des couches d'oxyde et ae nitrure de silicium sont déposes par les techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD, LPCVD, LTCVD ou PECVD). D'autres caracteristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la aescription qui va suivre, aonnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures 3 et 4 annexees, les figures 1 et 2 ayant déjà été aécrites. Ces figures 3 et 4 illustrent scnématlquement les différentes étapes au procédé conforme à l'invention. En référence à la figure 3, la première etape au procédé represente sur la partie a de la figure 3, consiste à nitrurer thermiquement et rapidement la surface d'un substrat brut en silicium monocristallin 20, et/ou la couche d'oxyde natif qui peut éventuellement le revêtir. Cette nitruration thermique connue sous l'abréviation RTN (voir brevet US ci-aessus) est effectuee entre 9500C et 1050 C pendant 20 à 40 secondes environ en présence d'ammoniac pur. Elle permet la formation c'une coucne 22 de nitrure ae silicium ou éventuellement d'oxynitrure ae silicium lors de la presence éventuelle de l'oxyde natif. Cette couche de nitrure ou a oxynitrure 22 a une épaisseur de 1 à 5 nm et permet a'éviter tous les inconvenients de la presence de l'oxyde natif décrits précédemment. Comme représenté sur la partie b de la figure 3, on depose ensuite sur la coucre ce nitrure ou d'oxynitrure 22 un film 24 ae nitrure de silicium ae 4 à 12 nm environ d'épaisseur. Ce film 24 est obtenu par aépot chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD) par décomposition tnermique ae SiH2Cl2 et ae NH3 à une température allant ae 7000C à 8000C et une pression de 4ü kPa (30l)mtorrs) environ. On effectue ensuite comme represente sur la partie c de la figure 3, le dépôt d'une couche mince 26 d ' oxyde de silicium sur le film de nitrure 24, ayant trn e epaisseut de 1 0 à 40 nm. Cette couche c'oxyde 26 est déposée par la technique ce dépôt chimi- que en phase vapeur basse pression par decomposition thermique de SiH4 et de 02. La décomposition est effectuée à une température de 400 à 5000C et à une pression de 40 kPa (300mtorrs) environ. Comme représenté sur la partie C de la figure 3, on dépose alors sur la couche d'oxyde 26 une couche épaisse 28 de nitrure de silicium devant servir de masque à la croissance ae l'oxyde ae champ. Cette couche 28 a une épaisseur de 40 à 120 nm. Elle est déposée par la technique de dépôt chimique en phase vapeur basse pression par decomposition thermique de SiH2Cl2 et de NH3. La temperature et la pression utilisée sont respectivement 800 C à 9000C et 40 kPa (300mtorrs) environ. L'étape suivante au procede, representee sur la partie e de la figure 3, consiste à graver l'empilement aes couches 28, 20, 24 et 22 ae façon anisotrope jusqu a mise à nu ces régions du substrat aans lesquelles doit être réalisé l'oxyde ae champ. Cette gravure est realisée à l'aide d'un masque ae résine 30 formé selon les procédés classiques ae photolitnographie. Elle est réalisée par voie sèche et de façon anisotrope en utilisant comme agent d'attaque un mélange ae CHF3, C2Fe et ae Ar. Cette gravure est au type ionique réactive. Eventuellement, on effectue un oopage des régions du substrat mises à nu ayant la même conductivité que le substrat : par exemple, une implantation d'ions ae bore dans un substrat de type P- Après élimination du masque de résine 30 par plasma d'oxygène, on effectue, comme représenté sur la partie f de la figure 3, l'oxydation thermique de la structure obtenue, conduisant à l'oxyde de champ 32 aans les régions du substrat non masquées. Cette oxydation est réalisée à 'une température au pluS égale à 10500C avec un mélange Ce 2 et H2 dans Les proportions 1 volume d'oxygène pour 2 volumes d'hydrogene sur une epaisseur de 400 à 950 nm. Le procédé se termine par l'élimination de l'empilement ae couches 28, 26, 24 et 22 de la même façon que pour la gravure sèche de cet empilement, décrite ci-dessus. Le procédé selon l'invention permet, comme représenté sur la figure 4, l'obtention d'un oxyde de champ 32 à bord arrondi, et quasi-exempt de L'oxyde "bec d'oiseau". Avec le procédé conforme à l'invention, on observe une simple diffusion de l'oxygène servant à la formation de l'oxyde ae champ dans le silicium, représentée par la longueur I, avec un très faible soulèvement du masque de nitrure 28 contrairement au procédé conforme à l'art antérieur (figure 2). On aonne ci-après aeux exemples numériques du procédé conforme à l'invention. Exemple 1 - nitruration du substrat brut : 950 C pendant 30 secondes avec NH3, - dépôt du film mince de Si3N4 de 8 nm envi ron, par LPCVD à 71 50C, - dépôt de SiO2 de 20 nm environ, par LTCVD à 420 C, - dépôt de Si3N4 de 8G nm environ, par LPCVD, à 8400C, - gravure sèche avec CHF3+C2F6+Ar dans les proportions en volume 10/20/70 avec une puissance RF de 180W et une pression de 135 Pa (1 torr), - oxydation thermique à 9500C sous un mélange de O2/H2 dans les proportions en volume 1/2 sur 550 nm. Dans ces conditions, la diffusion laterale d'.oxyde I n'est que de 100 nm. Exemple 2 Cet exemple se cifférencie de l'exemple 1 par uniquement une oxydation thermique à 10500C au lieu de 950 C. Dans ces conditions, la affusion latérale I n'est que de 1aû nm. Le procédé conforme à l'invention peut être utilisé comme procédé d'isolement aussi bien pour des technologies bipolaires que pour des technologies MOS. IL peut également être adapté aux différentes filières, c'est-a-dire submicroniques avec de faibles épaisseurs d'oxyde de champ (environ 400 nm). Dans ce cas, la diffusion latérale l d'oxygène est nulle. il peut aussi être utilisé pour des filières à plus haute tension d'alimentation (filière EPROM), nécessitant de plus fortes épaisseurs d'oxyde de champ (700 nm environ). REVENDICATIONS 1. Procédé ae fabrication ae l'oxyde de champ d'un circuit intégré dans un substrat en silicium, comprenant les étapes suivantes : a) nitruration thermique au substrat (20) et/ou de la couche d'oxyde natif le recouvrant éventuellement pour former une coucne nitrure (22) sur sa surface, b) dépôt d'un film mince (24) de nitrure de silicium sur la couche nitrurée, c) dépôt d'une couche mince (26) d'oxyde de silicium sur le film ae nitrure, d) dépôt d'une couche épaisse (28) de nitrure ae silicium sur la couche d'oxyde, e) gravure sèche anisotrope de l'empilement formé par la couche de nitrure (28), la couche d'oxyde (2o), le. film d'oxyde (24) et la couche nitrurée (22), afin de découvrir les regions du substrat dans lesquelles l'oxyde de champ (32) doit être realisé, f) oxydation thermique de la structure obtenue en e) pour former l'oxyde de champ dans lesdites régions, puis g) élimination dudit empilement grave. 2. Procedé selon la revendication 1, caracterise en ce que le film mince (24) de nitrure est déposé par la technique de depôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche epaisse de nitrure est déposée par la technique ae dépôt chimique en phase vapeur basse pression (LPCVD). 4. Proceae selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche d'oxyde est déposée par la technique de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression. 5. Procédé selon l'une quelconque des revencications précédentes, caractérisé en ce que la gravure sèche est réalisée par gravure ionique réactive avec un mélange gazeux ae CH3/C2F6/Ar. 6. Procécé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'oxydation thermique est réalisée à au plus 10500C. 7. Procédé selon l'une quelconque des rewenoications précédentes, caractérisé en ce que l'étape a) est effectuée à une température allant de 950 C à 105û C pendant 30 secondes environ.