Brevet FR2665980A1 — publié le 19920221

PROCEDE DE FABRICATION D'UN TRANSISTOR AYANT UNE STRUCTURE DE SEMICONDUCTEUR A GRILLE ISOLEE La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un dispositif semiconducteur, et plus particulièrement à un procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée (mentionné dans la suite comme un transistor semiconducteur à grille isolée). Le transistor ayant la structure de semiconducteur à grille isolée est d'une manière générale appelé un MOS (Métal Oxyde Semiconducteur), qui est très utilisé dans les circuits intégrés à semiconducteur; aussi des recherches actives ont été menées visant à la fabrication de tels transistors ayant la structure de semiconducteur à grille isolée en direction d'une intégration plus élevée et d'une performance plus élevée. Dans la fabrication de transistors semiconducteurs à grille isolée, il a été d'une manière générale utilisé du silicium polycrystalin de type n+ fortement dopé avec une impureté ayant le type de conductivité n+ qui est un matériau représentatif de la constitution d'une grille. Cependant, les grilles en silicium polycrystalin de type n+ forment un canal du type enfoui dans le transistor semiconducteur à grille isolée avec un canal du type p comportant un substrat de type n. La figure 1 est une vue en coupe d'un transistor semiconducteur à grille isolée à canal de type p avec le canal classique du type enfoui, qui montre une zone 3 à implantation d'ions du type p dans laquelle une impureté du type p est implantée sous forme d'ions dans un substrat semiconducteur 1 de type n, des zones de source et de drain 4, 5 formées sur les deux côtés de la zone 3 à implantation d'ions de type p, une zone de canal 7 formée entre la zone à implantation d'ions 3 et la zone du substrat 1, une grille 11 de silicium polycrystalin n+ disposée par dessus la zone de canal 7, une couche d'oxyde 9 étant formée entre la zone de canal 7 et la grille il de silicium polycrystalin n+ et une couche d'isolation 13 recouvrant tout le substrat 1. Lorsque la grille de silicium polycrystalin n+ est formée par dessus le substrat de type n, une valeur absolue de tension de seuil devient une valeur beaucoup plus grande (-l V à -2 V) qu'une valeur de tension souhaitée (c'est-à-dire au dessous de -1 V), parce que les deux couches semiconductrices ayant la couche d'isolation entre elles sont toutes les deux de type N de sorte qu'il n'y a pas de différence dans leur travail potentiel de sortie. Par conséquent, il est nécessaire d'abaisser la valeur absolue de la tension de seuil en déplaçant la tension de seuil vers les valeurs positives, afin de faire fonctionner le transistor semiconducteur à grille isolée à la tension de seuil désirée c'est-à-dire en dessous de - 1 V. Pour remplir la condition ci-dessus, un procédé par implantation d'ions de bore dans le substrat du semiconducteur a été utilisé Comme conséquence, un élément de jonction p-n est produit par l'implantation d'ions de bore et du phosphore dans le substrat semiconducteur à un emplacement qui est disposé de manière distante à une distance donnée de la surface du substrat semiconducteur. Ainsi, lorsqu'une tension dont la valeur absolue est plus grande que la tension de seuil est appliquée à la grille, des trous sont collectés autour de l'élément de jonction p-n pour former la zone de canal 7 en raison de la tension de la grille. Le transistor semiconducteur à grille isolée ayant le canal du type enfoui tel que cela est décrit ci-dessus est très sensible aux modifications dans le traitement, de sorte que des problèmes sont apparus qui sont qu'il est difficile de commander la tension de seuil et qu'un phénomène de perforation apparait tout à fait facilement. Ce dont il résulte, que la réduction de l'élément dans le sens d'une intégration élevée a été limitée. Comme moyen pour résoudre le problème, il était proposé que la grille de silicium polycrystalin n+ soit remplacée par une grille de silicium polycrystalin p+ qui était lourdement dopée avec une impureté du type de conductivité p. La figure 2 est une vue en coupe d'un transistor semiconducteur à grille isolée utilisant la grille de silicium polycrystalin p+ classique Le transistor comprend des zones de source et de drain 22, 23 disposées de manière distante à une distance donnée l'une de l'autre dans le substrat semiconducteur de type N 21, une zone de canal 25 entre les zones de source et de drain 22, 23, une grille 28 de silicium polycrystalin p+ disposée par dessus la zone de canal 25, et une couche de grille d'oxyde 27 qui est formée entre la grille 28 de silicium polycrystalin p+ et la zone de canal 25, et une couche d'isolation 29 recouvrant la totalité du substrat 21. Dans le cas o la grille du transistor semiconducteur à grille isolée est faite de silicium polycrystalin p+ et le substrat de celui-ci a une conductivité du type N comme cela est représenté à la figure 2, la différence de travail de sortie entre la grille et le substrat est plus grande d'un électron volt (e V) que dans le cas d'une grille de silicium polycrystalin n+, ainsi la tension de seuil est commandée aisément dans un mode d'enrichissement. Cependant, si la couche d'isolation de grille entre la grille et le substrat est mince, c'est-à-dire, si son épaisseur est en dessous de 20 nm, le bore dans la grille passe à travers la couche mince d'isolation de grille et il est diffusé dans la zone de canal lors du traitement à chaud qui suit, ainsi un problème est provoqué qui est que la tension de seuil devient instable D'autre part, comme un autre moyen pour résoudre le problème associé avec le canal du type enfoui, est de proposer que le matériau de grille classique soit remplacé par un matériau de grille qui possède une valeur située entre approximativement 4,1 électron volt (e V) comme travail de sortie du silicium polycrystalin n+ et approximativement 5,2 électron volt comme travail de sortie du silicium polycrystalin p+. Comme matériau ayant une sortie de travail remplissant la condition mentionnée ci-dessus, des métaux spécifiques comme le tungstène (W), le cobalt (Co), le titane (Ti), ont été utilisés Cependant, il demeure un problème que de tels métaux réagissent sur, et détruisent, la couche d'isolation de grille dans le cas d'une couche d'isolation mince Ce problème par conséquent, conduit fréquemment à la mise hors service en fonctionnement normal de la totalité du transistor, ceci dégradant la fiabilité du transistor. C'est par conséquent un objet de la présente invention de créer un transistor semiconducteur à grille isolée qui convienne facilement pour une intégration élevée et une réduction de taille. C'est un autre objet de la présente invention de créer un procédé pour la fabrication d'un transistor semiconducteur à grille isolée qui convienne facilement pour commander une tension de seuil. C'est un objet supplémentaire de la présente invention de créer un procédé pour la fabrication d'un transistor semiconducteur à grille isolée comportant une électrode de grille qui ne réagit pas sur une couche d'isolation de grille et qui fournit une meilleur conductivité. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, un transistor semiconducteur à grille isolée du type à canal de surface est créé. Une électrode de grille à couche unique de nitrure de titane (Ti N) est formée en utilisant comme matériau de grille, un métal d'arrêt tel qu'un nitrure de titane, ou bien une électrode de grille bi-couche est formée en déposant un métal à haut point de fusion ou un siliciure d'un métal à haut point de fusion, sur la surface supérieure du nitrure de titane. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un transistor semiconducteur à grille isolée classique à canal de type p ayant un canal de type enfoui; la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un autre transistor semiconducteur à grille isolée classique dont la grille est faite de silicium polycrystalin p+; la figure 3 est une vue en coupe transversale d'un transistor semiconducteur à grille isolée selon la présente invention; et les figures 4 A et 4 B sont un diagramme d'un processus de fabrication du transistor semiconducteur à grille isolée selon la présente invention. En se référant à la figure 3, des zones de source et de drain 40, 41 d'un second type de conductivité sont formées sur chacun des deux côtés d'une zone dopée en impureté 32 et qui sont dopées avec une impureté pour commander la tension de seuil, dans un substrat 30 d'un premier type de conductivité Une électrode de grille 39 est faite d'une couche de nitrure de titane 38 et d'un métal à haut point de fusion ou d'une couche de siliciure d'un métal à haut point de fusion 36, sur une couche d'isolation de grille 34 correspondant à la surface supérieure de la zone dopée en impureté 32 La couche d'isolation de grille 34 est formée par dessus le substrat 30 Et une couche d'isolation 42 recouvre la totalité du substrat 30. En se référant à la figure 4 A, est représenté un processus pour former la zone de dopage et la couche d'isolation de grille Une impureté est implantée avec une densité donnée pour commander une tension de seuil dans un substrat semiconducteur 30 du premier type de conductivité afin de former la zone de dopage 32, et puis la couche d'isolation de grille 34 est formée par dessus le substrat Ici, le substrat est un substrat de silicium de type p ou bien un puits de type p formé dans un substrat de silicium de type N ou de type p si la conductivité du transistor semiconducteur à grille isolée est de type n, et le substrat est un substrat en silicium du type N ou bien un puits de type p formé dans un substrat de silicium de type N ou de type p si la conductivité du transistor semiconducteur à grille isolée est de type p En plus, la zone de dopage 32 est la zone qui est dopée avec une impureté pour commander la tension de seuil afin de faire fonctionner le transistor de manière appropriée La couche d'isolation de grille 34 est faite d'une couche d'oxyde de silicium (Si O 2) ou d'une couche de nitrure de silicium (Si 3 N 4) ou d'une combinaison de la couche d'oxyde de silicium et de la couche de nitrure de silicium et elle est d'une épaisseur de 3,5 nm à 50 nm. En se référant à la figure 4 B, il y est présenté un schéma pour illustrer le processus de formation de l'électrode de grille L'électrode de grille comporte une première couche conductrice faite d'une couche de nitrure de titane 35 qui est formée sur la surface d'isolation de grille 34, et d'une seconde couche conductrice faite d'un métal à haut point de fusion ou d'une couche de siliciure d'un métal à haut point de fusion 37 qui a une valeur de conductivité plus élevée que celle du nitrure de titane. Dans le processus représenté, une couche de nitrure de titane 35 avec une épaisseur de 10 nm à 300 nm est formée sur la surface de la couche d'isolation de grille 34 en utilisant un procédé de pulvérisation avec réaction qui utilise un gaz réactif tel que de l'azote gazeux, ou un procédé de pulvérisation normal qui pulvérise directement sur une cible du nitrure de titane sans l'utilisation du gaz réactif, ou un procédé d'évaporation sous vide thermique ou un procédé d'évaporation en phase vapeur par procédé chimique Une sortie de travail de la couche de nitrure de titane 35 a une valeur donnée entre 4,45 e V et 4,73 e V, qui sont des valeurs de travail de sortie intermédiaires entre celle du silicium polycrystalin n+ et celle du silicium polycrysalin p+. Ensuite, la couche de métal à haut point de fusion ou la couche de siliciure d'un métal à haut point de fusion 37 d'une épaisseur de 50 nm à 300 nm est formée sur la couche de nitrure de titane 35, en utilisant un procédé de pulvérisation normal qui pulvérise directement sur la cible du métal à haut point de fusion ou du siliciure d'un métal à haut point de fusion, ou par un procédé d'évaporation sous vide thermique ou par un procédé d'évaporation en phase vapeur par procédé chimique Dans ce cas, du tungstène (W), du titane (Ti), du cobalt (Co), du nickel (Ni), du palladium (Pd), du chrome (Cr), du zirconium (Zr), du tantale (Ta), du vanadium (V), et de l'hafnium (Hf) peuvent être utilisés en tant que métaux à haut point de fusion. Et ensuite, les électrodes de grille 39 sont formées par gravure d'une zone donnée dans les première et seconde couches conductrices 35, 37 formées sur le substrat 30, en employant un procédé de gravure ionique réactif Ensuite, les zones de source et de drain 40, 41 sont formées par l'implantation ou la diffusion d'impureté ionisée ayant le second type de conductivité Dans ce cas, les zones de source et drain 40 et 41 peuvent être formées comme la structure unique classique comme cela est montré à la figure 1, ou formées comme une structure LDD (à drain légèrement dopé) ou une structure DDD (à drain doublement dopé ou à drain doublement diffusé). Dans le mode de réalisation précédent de la présente invention, l'électrode de grille bi-couche est réalisée d'une première et d'une seconde couches conductrices, cependant, dans un autre mode de réalisation de la présente invention, une électrode de grille monocouche peut être faite de seulement la première couche conductrice. L'électrode de grille monocouche ci-dessus est formée par gravure après formation de la couche de nitrure de titane d'une épaisseur donnée sur la couche d'isolation de grille. Comme cela a été décrit dans ce qui précède, dans le procédé de fabrication de transistor semiconducteur à grille isolée, la présente invention peut réaliser le canal du type de surface, quel que soit le type de conductivité du canal formé dans le transistor semiconducteur à grille isolée, en utilisant comme matériau de grille, le matériau qui a une valeur intermédiaire entre les sorties de travail du silicium polycrystalin n+ et du silicium polycrystalin p+ Par conséquent, la présente invention procure un avantage qui est que la limitation vers l'intégration élevée et la réduction de taille du canal classique du type enfoui peut être surmonté, ainsi l'intégration élevée et la réduction de taille de l'élément semiconducteur peuvent être aisément réalisées. La présente invention procure un autre avantage, qui est que dans le transistor semiconducteur à grille isolée, la tension de seuil peut être empêchée de devenir instable, en raison du blocage de la diffusion des impuretés dans l'électrode de grille à l'intérieur de la zone de canal, dans lequel transistor du nitrure de titane est utilisé comme matériau de grille et sert aussi de métal d'arrêt. La présente invention procure encore un autre avantage en ce qu'elle peut améliorer la fiabilité et la performance de l'élément en empêchant l'effet de destruction de la couche d'isolation de grille, due à la réaction du métal formant l'électrode de grille sur la couche d'isolation de grille, même si la couche d'isolation de grille est considérablement mince, parce que la réaction du métal formant l'électrode de grille sur la couche d'isolation de grille est supprimée en raison de la couche de nitrure de titane. La présente invention procure un avantage supplémentaire en ce que des conducteurs de branchement de faible résistance peuvent être réalisés en utilisant le nitrure de titane comme électrode de grille, le nitrure de titane étant un composé de métal dont la conductivité est meilleure que celle du silicium polycrystalin n+ ou p La présente invention procure encore un avantage supplémentaire en ce que les conducteurs de branchement de faible résistance peuvent être réalisés plus commodément en formant la couche de métal à haut point de fusion ou la couche de siliciure d'un métal à haut point de fusion sur la surface de la couche de nitrure de titane, puisque le nitrure de titane est capable de réaliser un bon contact avec un autre matériau et également qu'il est un composé très stable. Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré, il sera compris par les personnes expérimentées dans la technique que des modifications de détail peuvent être faites sans sortir de l'esprit et du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de: formation d'une couche d'isolation de grille ( 34) sur la surface d'un substrat semiconducteur ( 30) d'un premier type de conductivité dans lequel une zone de canal ( 32) ayant ledit premier type de conductivité ou un second type de conductivité est formée; formation ensuite d'une première couche conductrice ( 35) faite de nitrure de titane (Ti) sur la surface de ladite couche d'isolation de grille; et formation d'une seconde couche conductrice ( 37) ayant une conductivité plus élevée que celle de ladite première couche conductrice; et formation ensuite d'une électrode de grille ( 39) dans une zone donnée par gravure d'une manière sélective des dites première et seconde couches conductrices ( 35, 37) et de la couche d'isolation de grille ( 34), et formation de zones de source et de drain ( 40, 41) du second type de conductivité par voie d'implantation ionique ou de diffusion. 2 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche d'isolation de grille ( 34) est faite d'une couche d'oxyde de silicium ou de nitrure de silicium ou d'une combinaison de ladite couche d'oxyde de silicium et de ladite couche de nitrure de silicium. 3 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche d'isolation de grille ( 34) est d'une épaisseur de 3,5 nm à 50 nm. 4 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première couche conductrice ( 35) est d'une épaisseur de 10 ni à 300 nm. Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que ladite seconde couche conductrice ( 37) est faite d'un métal à haut point de fusion ou d'un siliciure d'un métal d'un haut point de fusion. 6 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 5, caractérisé en ce que ledit métal à haut point de fusion est pris parmi les métaux suivants: le tungstène (W), le titane (Ti), le cobalt (Co), le nickel (Ni), le palladium (Pd), le chrome (Cr), le zirconium (Zr), le tantale (Ta), le vanadium (V) et l'hafnium (Hf) etc, dans le cas o ladite seconde couche conductrice ( 37) est formée d'un dit métal à haut point de fusion. 7 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 6, caractérisé en ce que ladite seconde couche conductrice ( 37) a une épaisseur de na à 300 nm. 8 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que la structure des dites zones de source et de drain ( 40, 41) est celle d'une structure simple, d'une structure LDD (à drain légèrement dopé), d'une structure DDD (à drain doublement dopé ou à drain doublement diffusé), ou d'une combinaison de ladite structure simple, de la structure LDD (à drain légèrement dopé) et de la structure DDD (à drain doublement dopé ou à drain doublement diffusé). 9 Procédé de fabrication d'un transistor ayant une structure de semiconducteur à grille isolée tel que revendiqué dans la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode de grille ( 39) peut être réalisée par une électrode de grille à couche unique de nitrure de titane.