Brevet FR2654259A1 — publié le 19910510

s 1 La présente invention concerne un dispositif à semiconducteurs et un procédé pour fabriquer un tel dispo- sitif, et en particulier un dispositif à semiconducteurs et un procédé pour fabriquer un tel dispositif, pour lesquels les caractéristiques de la couche diélectrique utilisée lors de la formation du condensateur du dispositif de mé- moire peuvent être améliorées. Avec les récents progrès des techniques de fabri- cation des semiconducteurs et l'expansion de leur domaine d'application, les développements de dispositifs de mémoire de grande capacité sont favorisés En particulier, on a ob- tenu un progrès remarquable dans l'amélioration de la den- sité d'une mémoire DRAM (mémoire dynamique à accès direct) en développant une cellule de mémoire constituée par un seul condensateur et un seul transistor. Conformément à la structure de la cellule de mé- moire permettant d'accroître la densité d'une mémoire DRAM, on a développé la cellule à condensateur de type planar classique pour obtenir un condensateur de type empilé et un condensateur de type à sillon, et on a utilisé dans la pra- tique un condensateur du type à sillon dans une mémoire DRAM à 1 M bit. En tant que matériau de la couche diélectrique utilisable pour le condensateur d'une telle cellule de me- moire à haute densité, on a remplacé la couche d'oxyde classique par une structure à couches de nitrure/ oxyde, et une couche oxyde/nitrure/oxyde (couche ONO), qui est du type empilé, une telle couche faisant l'objet de recherches diversifiées Le procédé de fabrication de la couche ONO est illustré sur les figures l A à l D annexées à la présente demande et va être décrit ci-après de façon abrégée. Tout d'abord, on forme une couche d'oxyde OX 1 sur une épaisseur de 1 nm-20 nm sur un substrat du condensa- teur; on forme une couche de nitrure N sur une épaisseur de 5 nm-20 nm sur la couche d'oxyde OX 1 comme représenté sur la figure l B en utilisant un dispositif de dépôt chimique en phase va- peur sous pression réduite (désigné ci-après de façon abrégée par "LPCVD") ; et on soumet la couche de nitrure N à une oxydation réalisée sur une épaisseur de 1 nm-20 nm, comme représenté sur la figure IC, de manière à former une se- conde couche d'oxyde OX 2, ce qui permet d'obtenir une couche diélectrique I qui posséde la structure oxyde/nitru- re/oxyde. Sur la seconde couche d'oxyde OX 2 décrite précé- demment, on forme du silicium polycristallin sur une épais- seur de 50 nm-300 nm de manière à former un substrat supé- rieur 11, ce qui achève la fabrication d'un condensateur tel que représenté sur la figure ID. Conformément à un tel procédé classique de fabri- cation d'une couche diélectrique, la couche de nitrure pos- sède une constante diélectrique E qui est 1,9 fois supé- rieure à celle de la couche d'oxyde simple, mais présente des inconvénients consistant par exemple en la présence des défauts cristallins et des têtes d'épingles formées dans la couche elle-même et dans la présence de diffusions d'impu- retés polarisées en raison des caractéristiques de disper- sion du dispositif de dépôt LPCVD qu'on utilise pour la formation de la couche C'est pourquoi, le courant de fuite augmente même avec la tension d'alimentation appliquée, ce qui altère les caractéristiques électriques du condensa- teur. C'est pourquoi, un but de la présente invention est de réaliser une couche diélectrique possédant une structure à couches multiples et qui permette d'éliminer les inconvénients classiques mentionnés précédemment. Un autre but de la présente invention est de fournir un procédé de fabrication pour la couche diélec- trique, qui est efficace pour fabriquer cette couche. Pour atteindre les objectifs indiqués précédem- ment, la couche diélectrique conforme à la présente inven- tion comprend une couche d'oxyde formée sur une première couche conductrice; une couche de nitrure constituée de - sous-couches multiples et formée sur la couche d'oxyde; une- seconde couche d'oxyde formée sur la couche de nitrure à sous-couches multiples, toutes les couches indiquées précé- demment formant une structure couche d'oxyde/couche de ni- trure à sous-couches multiples/couche d'oxyde. Le procédé de fabrication, qui convient pour la fabrication de la couche diélectrique conforme à la pré- sente invention est caractérisé en ce que, dans le cas de la formation de la couche de nitrure à sous-couches mul- tiples sur la couche d'oxyde qui est formée sur la première couche conductrice, on forme des sous-couches d'oxyde ul- traminces entre les so Vs-couches multiples de nitrure, d'une manière naturelle ou artificielle pour éliminer les défauts de la couche de nitrure. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci- après prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: les figures l A à 1 D, dont il a déjà été fait mention, illustrent le procédé de fabrication de la couche diélectrique classique; et les figures 2 A à 2 D illustrent le procédé pour fabriquer une couche diélectrique conformément à la pré- sente invention. Comme cela est représenté sur la figure 2 C, la couche diélectrique I conforme à la présente invention est formée de la manière suivante: on forme une couche d'oxyde OX 1 sur une première couche conductrice 10, et on forme une première couche de nitrure Ni, une seconde couche de nitru- re N 2, etc sur la couche d'oxyde OXI de manière à former une couche de nitrure MN à sous-couches multiples, et on forme une seconde couche d'oxyde OX 2 sur la couche de ni- trure MN à sous-couches multiples, ce qui permet d'obtenir une structure couche d'oxyde OX 1/couche de nitrure MN à sous-couches multiples/couche d'oxyde OX 2. Le procédé permettant de fabriquer la couche di- électrique conforme à la présente invention inclut quatre étapes différentes et on va décrire chacune des étapes sé- parément en se référant aux figures 2 A à 2 D. La première étape est l'étape de formation de la couche d'oxyde OX 1 sur la première couche conductrice 10, lors de laquelle la couche d'oxyde OX 1 est f ormée sur une épaisseur de 1 nm-20 nm sur une couche de silicium poly- cristallin ou monocristallin, qui constitue la première couche conductrice telle que représentée sur la figure 2 A. La seconde étape est celle lors de laquelle on forme la couche de nitrure MN à sous-couches multiples sur la structure obtenue au moyen de la première étape et, d'une manière plus spécifique, on forme une couche de ni- trure possédant une épaisseur comprise entre 5 nm et 20 nm sur la couche d'oxyde OX 1 formée lors de la première étape, en introduisant du gaz NH 3 et en utilisant un dispositif de dépôt LPCVD, de sorte que la couche de nitrure MN soit constituée par des sous-couches multiples formées lors de 2 à 5 étapes secondaires, comme cela est illustré sur la fi- gure 2 B. En outre, on forme cette couche de nitrure MN à sous-couches multiples en formant, de manière à éliminer les défauts de la couche de nitrure elle-même, des couches d'oxyde ultraminces OXT, sur une épaisseur inférieure à l nm entre les couches multiples de nitrure, et ce pendant l'intervalle de temps limité, d'une manière naturelle ou artificielle C'est-à-dire qu'en utilisant un dispositif de dépôt LPCVD, on forme une première sous-couche de nitrure Ni sur la couche d'oxyde OX 1, qui est formée sur la pre- mière couche conductrice 10, on fait subir un vieillisse- ment à la première sous-couche de nitrure Ni à la tempéra- ture ambiante de manière à former une couche d'oxyde ultra- mince OXT possédant une épaisseur inférieure à 1 nm, et on forme une seconde sous-couche de nitrure N 2 en utilisant un dispositif LPCVD, un tel cycle étant à nouveau répété au moins une ou plusieurs fois. La troisième étape consiste à former la seconde couche d'oxyde OX 2 sur la structure obtenue lors de la se- conde étape, et lors de laquelle, on forme la seconde couche d'oxyde OX 2 avec une épaisseur de 1,5 nm- nm sur la couche de nitrure MN à sous-couches multiples, obtenue lors de l'étape précédente comme cela est repré- senté sur la figure 2 C, ce qui permet d'obtenir la couche diélectrique possédant la structure couche d'oxyde/couche de nitrure à sous-couches multiples/couche d'oxyde. La quatrième étape est l'étape finale, lors de laquelle on forme une couche de silicium polycristallin en tant que seconde couche conductrice 11 sur une épaisseur de nm-300 nm sur la couche diélectrique I obtenue lors des étapes précédentes, qui achève la fabrication d'un conden- sateur d'un dispositif de mémoire de grande capacité. Dans la couche diélectrique fabriquée conformé- ment au procédé de fabrication selon la présente invention, la couche de nitrure, qui constitue l'un des composants, est formée de sous-couches multiples et, lorsque l'on forme des sous-couches multiples, on forme des couches d'oxyde ultraminces entre les sous-couches multiples en faisant su- bir un vieillissement à chacune des sous-couches pendant l'intervalle de temps limité Ceci permet d'éliminer les défauts que l'on obtient lorsque la couche de nitrure est formée en un seul procédé, c'est-à-dire les défauts tels qu'une diffusion polarisée de l'impureté et des têtes d'épingles formées dans la couche elle-même en raison de la caractéristique de dispersion du dispositif de dépôt LPCVD, ce qui améliore les caractéristiques de la couche diélec- trique. C'est pourquoi, si on utilise, dans le condensa- teur de cellules de mémoire, une telle couche diélectrique incluant une couche de nitrure formée de sous-couches mul- tiples, les caractéristiques électriques du condensateur sont améliorées par rapport au condensateur classique En outre, le courant de fuite est également réduit à une va- leur inférieure d'un ordre de grandeur par rapport à la va- leur fournie par la couche diélectrique classique, et dans le cas ou l'on suppose qu'un claquage de tension apparaît pour un courant de fuite de 1 A, la couche diélectrique conforme à -la présente invention fournit un avantage de 10 %. Le procédé de fabrication conforme à la présente invention peut être appliqué non seulement aux condensa- teurs de dispositifs de mémoire du type planar, du type em- pilé et du type à sillon, mais également à une interconne- xion entre une grille flottante et une grille de réglage d'une mémoire EEPROM (mémoire morte effaçable et program- mable électriquement), qui permet un effacement et un enregistrement électriques En outre, on peut également ap- pliquer la couche de nitrure à sous-couches multiples à d'autres dispositifs à semiconducteurs moyennant l'util- sation de couches de nitrure. REVENDICATIONS 1 Dispositif à semiconducteurs comprenant une première couche conductrice ( 10), une seconde couche con- ductrice ( 11) et une ou plusieurs couches d'oxyde (OX 1,OX 2) et une couche de nitrure (MN) disposée entre lesdites pre- mière et seconde couches conductrices, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) est constituée de sous-couches multiples (Nl, N 2). 2 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que lesdites couches d'oxyde (O Xl,OX 2) sont prévues sous la forme d'un couple de couches et que ladite couche de nitrure (MN) réalisée sous la forme d'une couche de nitrure à souscouches multiples (N 1,N 2) est disposée entre lesdites deux couches d'oxyde (OX 1,OX 2). 3 Dispositif à semiconducteurs selon l'une ou l'autre des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que des couches d'oxyde ultraminces sont disposées entre les sous-couches multiples de ladite couche de nitrure (MN). 4 Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que lesdites couches d'oxyde ultraminces sont formées avec une épaisseur inférieure à 1 nm. Dispositif à semiconducteurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) à sous-couches multiples possède une épaisseur infé- rieure à 5 nm-20 nm. 6 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs, caractérisé en ce qu'il inclut une première étape de formation d'une couche d'oxyde (OX 1) sur une pre- mière couche conductrice ( 10), une seconde étape de forma- tion d'une couche de nitrure (MN) formée de sous-couches multiples (N 1,N 2) sur ladite couche d'oxyde (OX 1) formée lors de la première étape, et une troisième étape consis- tant à former une seconde couche conductrice ( 11) sur la- dite couche de nitrure (MN) formée au moyen de la seconde étape. 7 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) formée lors de la seconde étape est réalisée en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur sous pression réduite (LPCVD). 8 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on forme ladite couche de nitrure (MN) sous la forme de sous-couches multiples (Nl, N 2), en formant une première sous-couche de nitrure (NI) en utilisant un dispositif de dépôt LPCVD, on soumet la surface de ladite première sous- couche de nitrure (Ni) à une oxydation, on forme une se- conde sous-couche de nitrure (N 2) sur ladite première sous- couche de nitrure, dont la surface est oxydée, en utilisant à nouveau un dispositif de dépôt LPCVD, un tel procédé étant répété au moins une ou plusieurs fois. 9 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on oxyde la surface de ladite première sous-couche de nitrure (Ni) en lui faisant subir un vieillissement à la température ambiante pendant un intervalle de temps prédé- terminé. Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on détermine ledit intervalle de temps prédéterminé de vieillissement de manière qu'une couche d'oxyde ultramince soit formée, pendant cet intervalle de temps, avec une épaisseur inférieure à 1 nm sur ladite sous-couche de ni- trure (Ni). 11 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) se présentant sous la forme de sous-couches multiples (Nl, N 2) est formée avec une épaisseur inférieure à 5 nm-20 nm. 12 Proc 6 dé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN), qui se présente sous la forme de sous-couches multiples (N 1,N 2), peut être appli- quée sur la couche diélectrique d'un condensateur de type planar. 13 Procéd 6 pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) se pr 6 sentant sous la forme de sous-couches multiples (N 1,N 2) est applicable à la couche diélectrique d'un condensateur de type empilé. 14 Procédé pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6, caract 6 risé en ce que ladite couche de nitrure (MN) se présentant sous la forme de sous-couches multiples (N 1,N 2) est applicable sur la couche diélectrique d'un condensateur du type à sillon. Procéd 6 pour fabriquer un dispositif à sem conducteurs selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite couche de nitrure (MN) se pr 6 sentant sous la forme de sous-couches multiples (N 1,N 2) est applicable à une in- terconnexion de mémoire EEPROM. 16 Proc 6 d 6 pour fabriquer un dispositif à semi- conducteurs selon la revendication 6,caractérisé en ce qu'il inclut l'tape cxist a fen Er roe poeàn'ue sa ei nitre (N) en utilisant un dispositif de dépôt LPCVD, une 6 tape consis- tant à soumettre la surface de ladite première sous-couche de nitrure (N 1) à une oxydation en lui faisant subir un vieillissement à la température ambiante pendant un inter- valle de temps pr 6 déterminé, et une étape consistant à for- mer une seconde sous-couche de nitrure (N 2) au moyen de l'utilisation d'un dispositif de d 6 pôt LPCVD, un tel pro- céd 6 étant r 6 p 6 té au moins une ou plusieurs fois, ce qui permet d'achever la formation de la couche de nitrure (MN) sous la forme de sous-couches multiples.