Brevet FR2658952A1 — publié le 19910830

PROCEDE DE REALISATION DE MEMOIRES HAUTE DENSITE L'invention concerne un procédé de réalisation de mémoires haute densité et notamment de mémoires DRAM obtenues par épitaxie. La réalisation de mémoire DRAM à grande intégration pour le stockage d'information nécessite de réaliser sur des dimensions de plus en plus petites des condensateurs ayant une capacité de l'ordre de 30 f F Pour atteindre une telle valeur en n'occupant qu'une surface de l'ordre de quelques (microns) 2 par élément de mémoire sur la puce, deux solutions sont actuellement développées: la cellule mémoire en tranchée et la cellule mémoire empilée De plus, afin d'économiser la place utilisée pour chaque bit mémoire, on utilise un transistor à grille concentrique placé au-dessus de la capacité dans le cas de la cellule en tranchée La présente invention concerne un nouveau mode de fabrication d'un élément mémoire similaire à celui d'un élément mémoire en tranchée, qui permettra d'occuper des surfaces inférieures à 1 pm 2. Les technologies actuelles définissent l'élément mémoire par un pilier de silicium obtenu en creusant un substrat de silicium (voir document Sunouchi et al, Toshiba, IEDM digest 89, p 23) Nous proposons de réaliser un tel pilier par croissance sur un substrat plan, et de réaliser ensuite toutes les opérations menant à l'obtention d'un élément mémoire sur ce pilier. Il est connu qu'un certain nombre de méthodes mènent à la croissance de filaments cristallins (whiskers) de silicium d'excellente qualité Parmi celles-ci, la croissance par décomposition CVD du Silane Si H 4 sur substrat texturé ou orienté. Un mécanisme très efficace utilise une phase liquide dans lequel le silicium est soluble au sommet du whisker: l'absorption de silicium dans le liquide produit une sursaturation de celui-ci qui condense alors le silicium à l'interface liquide-solide de façon à revenir à l'équilibre La goutte de liquide s'élève peu à peu sur le cristal expulsé qui prend la forme d'un whisker de diamètre égal à la goutte de liquide (figures la et lb) Celle-ci peut avoir de multiples compositions Des compositions Au-Si et Ga-Si ont par exemple été démontrées. La croissance peut être faite sur silicium, SOI, saphir Zr O 2 cubique, spinelle etc On peut utiliser un substrat, texturé ou orienté (comme dans le cas du silicium recristallisé localement) On peut ainsi obtenir des whiskers sur des substrats conducteurs ou isolants suivant le besoin. Cependant il n'est pas évident d'utiliser cette technique pour réaliser une mémoire car cela suppose de localiser avec précision la position de chaque filament cristallin (whiskers) pour construire autour de ce filament les différents éléments constitutifs de la mémoire. C'est pourquoi l'invention concerne un procédé de réalisation de mémoire caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: une première étape de réalisation sur une surface d'un substrat d'au moins un filament cristallin sensiblement perpendiculaire à la surface du substrat; une deuxième étape de dopage de type N de la surface du substrat du filament cristallin; une troisième étape de réalisation d'une première couche d'isolation sur la surface dopée de type N; ulie quatrième étape de dépôt de semiconducteur polycristallin sur le substrat jusqu'à une hauteur limitée du filament; une cinquième étape d'attaque sélective de la première couche d'isolation et de la couche N du filament; une sixième étape de dépôt d'une deuxième couche d'isolation; une septième étape de dépôt d'une couche de semiconducteur polycristallin; une huitième étape d'attaque directionnelle de façon à enlever la deuxième couche d'isolation et la couche de semiconducteur polycristallin à la partie supérieure du filament et de part et d'autre du filament; une neuvième dopage N de la partie supérieure du filament et de réalisation d'une électrode de source à cette partie supérieure. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: les figures 2 a à 2 f, un procédé de réalisation d'éléments filamentaires monocristallins selon l'invention; les figures 3 a à 3 m, un procédé de réalisation d'une mémoire DRAM selon l'invention. la figure 4, une mémoire DRAM obtenue par le procédé de l'invention. En se reportant aux figures 2 a à 2 g on va tout d'abord décrire le procédé de base selon l'invention. On utilise comme cela est représenté en figure 2 a un substrat de Si par exemple ou de Ga As, d'orientation de préférence ( 111) sur lequel on dépose (ou on obtient par oxydation) une couche 1 de Si O 2 d'épaisseur typiquement comprise entre 0,1 micromètres et quelques micromètres. On dépose ensuite une couche de résine photosensible (ou un masque superficiel métallique) que l'on insole et développe (optiquement ou à l'aide d'un faisceau d'électrons) de façon à réaliser des ouvertures 5 sensiblement circulaires de diamètre compris entre 0, 1 et 2 pim au pas de 0, 5 à quelques microns On obtient ainsi une structure telle que représentée en figure 2 b. On grave ensuite (figure 2 c) par RIE (Reactive Ionic Etching) la silice sous-jacente en utilisant le masque de résine (ou le masque métallique selon le cas). On dépose ensuite (figure 2 d) par évaporation une couche de matériau tel que de l'or (ou bien d'Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Gd, Mg, Ga, As) d'épaisseur de 1 nm à 500 nm, qui sera adaptée au diamètre des ouvertures dans Si O 2 (plus le diamètre des ouvertures sera faible, plus l'épaisseur de la couche de métal sera elle aussi faible De préférence, le métal est choisi pour faire avec le silicium un eutectique de bas point de fusion et pour ne pas détériorer les propriétés du whisker de silicium, ou bien pour doper celui-ci de façon utile. On dissout (figure 2 e) ensuite la résine ou bien le masque métallique (dans ce dernier cas on opère une dissolution électrochimique) de façon à éliminer la résine et le dépôt d'Au situé sur la résine précitée). L'ensemble des étapes représentées par les figures 2 d et 2 e est une opération de lift off classique. A ce stade du procédé on a obtenu des points métalliques (d'or par exemple) localisés avec précision Par exemple on a pu obtenir une matrice de points d'or. Au cours de l'étape suivante on procède à la croissance d'un matériau semi-conducteur (ou autre) sur les points de métal sélectivement déposés précédemment; pour cela et toujours selon l'exemple du silicium, on introduit le substrat ainsi obtenu dans un réacteur de dépôt CVD en atmosphère Si H 4 + HCI ou Si H 2 C 12 + H Cl ou Si C 14 ou encore Si H C 13 + HCI (toujours en utilisant comme gaz porteur H 2) et on porte la température entre typiquement 400 et 10000 C. Dans ces conditions, on obtient la formation d'une phase liquide (Au Si, Au P, Au Cu) de type eutectique dans chaque micrologement de SIO 2. Ainsi que précédemment expliqué, on a une adsorption préférentielle des molécules de la phase gazeuse dans les gouttelettes de liquide, ce qui induit une anisotropie de croissance locale. On utilise typiquement un mélange gazeux composé de Si H 4 et de H Cl afin d'obtenir une sélectivité de dépôt et éviter la nucléation du silicium sur la silice comme cela a été décrit par exemple dans les documents suivants J O BORLAND, C I DROWLEY Solid State Technology Août 1985 p 141 L KARAPIPERIS et coil. Proceeding of the 18 Th Int Conf on Solid State Devices and Materials TOKYO 1986, p 713. De cette manière, on est certain de n'avoir des dépôts qu'au niveau des gouttelettes de liquide permettant la croissance des whiskers (figure 2 f) La figure 2 g représente de façon plus détaillée une telle croissance. On obtient ainsi des réseaux réguliers bidimensionnels de whiskers. Notamment, si on a réalisé les dépôts de métal sous forme d'une matrice, on peut obtenir une matrice de monocristaux filamentaires (whiskers). En se reportant aux figures 3 a à 3 j on va maintenant décrire un procédé de réalisation selon l'invention de mémoires DRAM construites autour d'éléments filamentaires (whiskers) obtenus par exemple par le procédé précédent. On dispose d'un substrat 1, tel que représenté en figure 3 a possédant à sa surface 10 des éléments filamentaires 2 sensiblement perpendiculaires à la surface 1 et disposés en des emplacements de la surface 10 déterminés avec précision. On procède alors à un dopage N des filaments 2 (figure 3 b), le substrat 1 étant protégé par la couche de silice. Ensuite on recouvre l'ensemble par une couche d'isolant, ce qui peut se faire par oxydation des filaments (figure 3 c) ou par dépôt d'isolant. On procède ensuite à un dépôt de semiconducteur polycristallin 4 de façon à remplir l'espace libre entre les filaments 2 et cela jusqu'à une hauteur limitée des filaments (figure 3 e) Ce dépôt est soit direct entre les filaments, soit uniforme et suivi d'une attaque sélective entre polysilicium et isolant qui ne laisse du polysilicium qu'entre les filaments. Au cours de l'étape suivante représentée en figure 3 f, on réalise une attaque sélective (attaque chimique sélective) pour enlever la couche d'isolant et de semiconducteur dopé N de la partie des filaments qui émerge du semiconducteur polycristallin 4. Comme cela est représenté en figure 3 g, la structure est ensuite recouverte d'une couche d'isolant 5 ce qui peut se faire par oxydation, puis une couche de semiconducteur polycristallin 6 est déposée sur l'ensemble (figure 3 h). On procède ensuite à une attaque directionnelle (figure 3 i) de façon à enlever la couche d'isolant 5 et le semiconducteur polycristallin 6 à la partie supérieure des filaments et à la surface de la couche 4. Conformément aux figure 3 j et 3 k un dépôt d'un matériau isolant 8 est réalisé jusqu'à atteindre la couche 6 des filaments Sur ce matériau isolant 8 sont déposées des connexions de grilles réalisées sous forme de connexion de ligne ( 9) tel que cela est représenté en figure 3 k. La structure est ensuite planarisée à l'aide d'un matériau tel que du polyimide de façon à recouvrir l'ensemble des filaments Des ouvertures d'accès aux faces supérieures des filaments sont pratiquées dans le matériau 10, puis la partie supérieure des filaments est dopée N Des connexions de sources 11 sont ensuite réalisées sur ces zones dopées n (figure 31) Ces connexions 11 peuvent être faites sous forme de connexions de colonnes interconnectant les sources des filaments d'une même colonne de filaments de la matrice Le dopage N et la réalisation des connexions peut utiliser le même système de masquage que celui utilisé pour la réalisation des filaments et décrit précédemment en se reportant aux figures 2 a à 2 e. A titre d'exemple, le matériau utilisé pour le substrat est du silicium dopé p Le matériau utilise pour les couches d'isolant 3 et 5 est du Si O 2 Le matériau semiconducteur polycristallin est du silicium polycristallin Cependant on pourrait utiliser d'autres types de semiconducteurs. La figure 4 représente un élément de mémoire DRAM tel qu'il est obtenu par le procédé de l'invention. Le drain D du transistor de commande de cet élément est constitué par une portion de la couche dopée N du filament 2. La grille G est constituée par une portion de la couche 6 de silicium polycristallin La source S est constituée par le dopage N de la face supérieure du filament 2. Enfin, le condensateur C constituant l'élément mémoire est constitué par une portion de la couche 3 et est connecté d'une part au drain D et, d'autre part, à la couche constituant un plan de masse On retrouve également sur cette figure 4 les connexions de lignes 9 et les connexions de colonnes 11. Le procédé de l'invention permet de réaliser des filaments cristallins tels que 2, uniformément répartis et notamment une matrice de filaments Il permet donc de réaliser une matrice d'éléments mémoire élémentaires qui peuvent être à adressage matriciel à l'aide des conducteurs de lignes et de colonnes tels que les conducteurs 9 et 11. A titre indicatif, la plus grande dimension de chaque filament mesurée à la surface du substrat peut être environ de 0,1 pim et le pas de répartition des filaments peut être d'environ 0,5 pim On voit donc qu'il est possible de réaliser une mémoire présentant une très grande densité d'éléments mémoire par unité de surface, par exemple une densité mémoire supérieure à 400 Mbits/cm 2. L'invention fournit les avantages suivants les différentes opérations peuvent être réalisées dans un même bâti de dépôt d'oxydation et de diffusion qui a servi à la croissance des filaments, au moins jusqu'à l'opération de remplissage de matériau semiconducteur polycristallin 4 (figure 3 e). Cela évite des manipulations qui risqueraient de détériorer les filaments. un seul masque (celui qui est utilisé lors de la fabrication du masque d'oxyde définissant des filaments) peut être utilisé pour la réalisation des ouvertures aux faces supérieures des filaments en vue du dopage n+ des filaments. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation de mémoire caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: une première étape de réalisation sur une surface ( 10) d'un substrat ( 1) d'au moins un filament cristallin ( 2) sensiblement perpendiculaire à la surface du substrat; une deuxième étape de dopage de type N de la surface du substrat du filament cristallin ( 2); une troisième étape de réalisation d'une première couche d'isolation ( 3) sur la surface dopée de type N; une quatrième étape de dépôt de semiconducteur polycristallin( 14) sur le substrat jusqu'à une hauteur limitée du filament; une cinquième étape d'attaque sélective de la première couche d'isolation ( 3) et de la couche N du filament; une sixième étape de dépôt d'une deuxième couche d'isolation ( 5); une septième étape de dépôt d'une couche ( 6) de semiconducteur polycristallin; une huitième étape d'attaque directionnelle de façon à enlever la deuxième couche d'isolation ( 5) et la couche de semiconducteur polycristallin( 6) à la partie supérieure du filament et de part et d'autre du filament; une neuvième étape de dopage N de la partie supérieure du filament et de réalisation d'une électrode de source à cette partie supérieure. 2 -Procédé de réalisation de mémoire, caractérisé en ce que la première étape comporte les différentes phases suivantes: une première étape de réalisation sur un substrat d'une première couche ( 1) d'un matériau sur lequel il ne pourra y avoir ni croissance, ni nueléation du matériau à faire croître dans les étapes ultérieures; une deuxième étape de réalisation dans ladite première couche ( 1) d'au moins une ouverture ( 5) ; une troisième étape de dépôt sélectif dans ladite ouverture ( 5) d'un matériau dans lequel lorsqu'il est liquide peut adsorber le matériau à faire croître; une quatrième étape de croissance en phase vapeur, dans ladite ouverture ( 5), du matériau à faire croître.