Brevet FR2679379A1 — publié le 19930122

PROCEDE DE FABRICATION DE CIRCUITS INTEGRES AVEC ELECTRODES TRES ETROITES L'invention concerne les circuits intégrés. Dans certaines applications, et on citera à titre d'exemple les dispositifs à transferts de charge, on a besoin de réaliser des électrodes très étroites s'étendant en longueur de part et d'autre d'une zone semiconductrice allongée. C'est le cas par exemple pour des dipositifs antiéblouissement associés à des dispositifs à transferts de charge photosensibles on réalise souvent deux bandes conductrices qui sont isolées d'un substrat semiconducteur dans lequel s'effectuent les transferts de charge, ces bandes encadrant une région semiconductrice dopée allongée formée dans le substrat; la région dopée sert de drain pour les charges en excès, et les bandes conductrices servent à créer une barrière de potentiel définissant le niveau d'excès à partir duquel les charges doivent être évacuées pour éviter ltéblouissement . Dans la technique classique, on dépose une couche de silicium polycristallin pour constituer les électrodes, et on la grave pour définir les bandes semiconductrices; puis on implante une impureté de dopage dans l'intervalle entre deux bandes de silicium polycristallin pour constituer le drain en forme de bande allongée. Mais les techniques de photolithographie classiques ne permettent alors pas de réduire au dessous de 5 micromètres environ la largeur totale nécessaire pour réaliser l'ensemble des deux bandes conductrices séparées par une bande semiconductrice dopée. Or on préfèrerait réduire cette largeur à une valeur plus faible pour gagner de la place clans le circuit intégré. C'est pourquoi l'invention propose un nouveau procédé pour former des bandes conductrices autoalignées avec des bandes semiconductrices dopées, l'ensemble ayant une très faible largeur. Selon l'invention, on propose un procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes - a) on dépose sur la surface d'un substrat une couche de masquage, de préférence en nitrure de silicium, - b) on grave cette couche pour définir au moins une bande non masquée; - c) on forme une ouverture dans le substrat là où il n'est pas protégé par la couche de masquage, cette ouverture s'étendant également sous les bords de la couche de masquage, laissant ces bords en surplomb au dessus de l'ouverture; - d) on dépose du silicium polycristallin épousant le contour du substrat et des bords en surplomb; - e) on enlève le silicium par gravure sans masque de sorte que des bandes de silicium très étroites subsistent essentiellement uniquement sous les bords en surplomb. En d'autres mots, l'essentiel du procédé selon l'invention est la formation de bandes conductrices dont la particularité est qu'elles se situent sous des bords en surplomb, c'est-à-dire que leur largeur est définie à partir de la longueur de surplomb des bords d'une couche de masquage qui a servi à définir une ouverture dans un substrat. Le mot substrat est pris au sens large, car la surface du substrat peut être une surface semiconductrice, ou une surface semiconductrice recouverte d'une couche isolante plus ou moins épaisse. Et l'ouverture formée dans le substrat peut être une ouverture formée dans un semiconducteur ou une ouverture formée dans une couche isolante. D'une manière particulièrement avantageuse, on utilise pour former l'ouverture dans le substrat (étape c) une étape d'oxydation épaisse localisée (étape cl) suivie d'une étape de désoxydation (étape c2). On profite ainsi du fait que des étapes d'oxydation épaisse sont de toutes façons prévues pour d'autres éléments du circuit intégré, mais on utilise ici cette étape d'une manière non habituelle puisqu'on ne conserve pas l'oxyde épais formé. La couche de masquage est alors plus précisément une couche de masquage contre l'oxydation. Une impureté sera implantée dans le substrat si on veut définir une région semiconductrice dopée autoalignée avec le substrat; selon les cas, cette impureté sera implantée avant l'enlèvement de l'oxyde épais, ou après gravure du silicium polycristallin. Dans les cas où les deux grilles adjacentes à la bande semiconductrice dopée doivent rester à des potentiels identiques, il est possible de déposer une couche supplémentaire de silicium polycristallin pour combler l'intervalle entre les deux griUes au dessus de la zone semiconductrice dopée. En général les grilles seront isolées du substrat semiconducteur par une couche isolante mince formée avant dépôt du silicium polycristallin. La couche de masquage peut rester ou être enlevée à la fin des étapes de fabrication indiquées ci-dessus. La gravure du silicium polycrisatllin à la fin du procédé est de préférence une gravure anisotropique verticale (gravure sous plasma). Elle est effectuée de manière uniforme, ctest-à-dire sans masque, tout au moins sans masque servant à définir la largeur des lignes à réaliser. Dans une variante de procédé particulièrement intéressante du fait de sa compatibilité avec la fabrication d'autres éléments de circuit sur le même substrat, on procède de la manière suivante - on part d'un substrat sur lequel on forme au moins une couche isolante épaisse (cette couche est formée en pratique par l'étape d'oxydation localisée qui est de toutes façons nécessaire pour la réalisation des autres éléments de circuit); - on dépose une couche de masquage contre la gravure de la couche isolante épaisse; - on grave la couche de masquage pour définir une bande non masquée; - on grave sur toute son épaisseur la couche isolante épaisse dans la bande masquée et sous les bords de la couche de masquage pour laisser ces bords en surplomb (gravure dite avec sous-gravure); - et on continue le procédé indiqué précédemment éventuellement formation d'une couche mince isolante dans la zone mise à nu; dépôt de silicium polycristallin épousant la forme de l'ouverture et venant sous les surplombs; gravure uniforme sans masque pour enlever toute l'épaisseur du silicium polycristallin au milieu de l'ouverture dans lequel on l'a déposé, sans l'enlever au dessous des surplombs. Le dopage du substrat pour définir une région dopée entre les bandes de silicium peut être effectué avant le dépôt du silicium plycristallin, ou après gravure de celui-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels - les figures 1 à 7 représentent les étapes principales d'un premier mode de réalisation de l'invention; - les figures 8, 9, et 10 représentent une suite possible pour le premier mode de réalisation. - les figures il à 17 représentent les étapes d'un deuxième mode de réalisation de l'invention; - les figures 18 à 22 représentent une autre variante de mise en oeuvre de l'invention. Le mode de mise en oeuvre préféré selon l'invention est celui qui utilise, pour former une ouverture avec bords en surplomb, une étape d'oxydation épaisse suivie d'une désoxydation. Ce procédé sera donc décrit en détail ci-après, avec plusieurs variantes. Dans une première variante du procédé selon l'invention, le détail des étapes de fabrication peut être le suivant On part d'un substrat 10 qui est par exemple un substrat semiconducteur (en pratique du silicium). Le dopage a peu d'importance; il peut s'agir d'un substrat P ou d'un substrat N, ou encore d'un substrat P ou N recouvert d'une couche épitaxiale ou d'une couche diffusée de type de conductivité opposé (N ou P). Le substrat 10 peut aussi être recouvert d'une couche mince isolante 12, par exemple en oxyde de silicium ou nitrure de silicium ou une combinaison des deux, si on en a besoin par ailleurs dans le circuit intégré. Enfin, le substrat peut être une simple couche semiconductrice déposée sur un autre substrat. En tout cas, dans le cas d'un dispositif à transfert de charges, pour lequel la présente invention est particulièrement intéressante, le substrat considéré ici sera en principe la couche semiconductrice (recouverte ou non d'isolant) dans laquelle s'effectuent les transferts de charges. On dépose sur le substrat (10 ou 10+12) une couche 14 de masquage contre l'oxydation. Cette couche sera en principe en nitrure de silicium, avec éventuellement interposition d'oxyde de silicium au dessous du nitrure pour faciliter les opérations de gravure sélective ultérieures. La couche 14 est photogravée par des moyens classiques pour définir une ouverture 16 dans laquelle le silicium du substrat ne sera pas protégé. L'ouverture peut avoir une largeur de 1,5 à 2 micromètres environ. La structure obtenue est représentée à la figure 1. On effectue alors une opération d'oxydation thermique profonde. Le silicium oxyde uniquement dans l'ouverture 16. De manière extrêmement classique, l'oxydation consomme du silicium en profondeur et il y a gonflement en surface; l'oxyde 18 qui est produit soulève les bords (20,22) de la couche de nitrure de silicium 14. (figure 2). L'oxyde épais 18 est alors enlevé par désoxydation chimique (figure 3). Les bords soulevés (20, 22) de la couche de masquage 14 restent en surplomb, ce qui est très important pour la suite du procédé. Les surplombs font saillie sur quelques dixièmes de micromètres de longueur. Si les électrodes étroites qu'on souhaite réaliser doivent être isolées du substrat semiconducteur, ce qui sera le plus souvent le cas, on procède alors à la formation d'une couche isolante mince 24 dans le fond de l'espace évidé 25 laissé libre par la désoxydation. La couche isolante mince est de préférence formée par oxydation thermique du silicium. Elle peut avoir de quelques dizaines à quelques centaines d'angströms d'épaisseur. (figure 4). La largeur de l'espace évidé est par exemple de l'ordre de 3 micromètres si on est parti d'une ouverture 16 de 1,5 à 2 micromètres et si l'épaisseur d'oxyde épais était de l'ordre du micromètre. On dépose alors sur tout le substrat une couche de silicium polycristallin 26 qui épouse la forme des irrégularités de la surface et qui en particulier vient jusque sous les bords en surplomb 20, 22 du nitrure de silicium. Un dépôt par décomposition chimique en phase gazeuse permet d'obtenir ce résultat. (figure 5) L'épaisseur de la couche de silicium déposée est choisie suffisamment faible compte tenu de la largeur de l'espace 25 pour ne pas combler l'ensemble de l'espace 25 évidé par la désoxydation. Une épaisseur de 0 > 5 micromètre ou inférieure convient bien. On attaque alors, par une gravure anisotrope verticale, la couche de silicium 26, avec un produit qui n'attaque pas ou qui attaque peu le nitrure de silicium. Le silicium disparaît, sauf sous les bords en surplomb 20,22 de nitrure de silicium qui le protègent. La gravure est interrompue lorsque le nitrure est mis à nu sur l'ensemble de la surface du substrat, c'està-dire aussi lorsque le silicium polycristallin a été éliminé au centre de l'espace 25. Il subsiste alors (figure 6) deux bandes conductrices très étroites 28 et 30 sous les bords en surplomb 20 et 22, ces bandes étant séparées par une bande libre 32 au milieu de l'espace 25 qui avait été évidé lors de la désoxydation. On a ainsi réalisé deux bandes conductrices très étroites, 28,30, très rapprochées l'une de l'autre, l'intervalle qui les sépare étant l'intervalle très étroit 32. L'ordre de grandeur est le suivant : largeur des bandes conductrices : environ 0,5 à I micromètre chacune; intervalle entre elles : environ 1 micromètre. Si maintenant on désire que ces deux bandes conductrices encadrent une bande semiconductrice dopée dans le substrat, on peut procéder à un dopage par implantation et/ou diffusion dans l'intervalle 32 entre les bandes 28 et 30; ces bandes servent de masque lors de cette opération. C'est ce que représente la figure 7 à titre d'exemple : on a implanté par l'ouverture 32, masquée par les bandes de silicum polycristallin, une impureté du type N+ qui peut servir de drain d'évacuation de charges dans le cas d'un dispositif à transfert de charges photosensibles. On aboutit donc à un dispositif antiéblouissement avec deux électrodes 28, 30 encadrant une bande étroite de drain 34, la totalité de ce dispositif ayant une largeur qui peut être inférieure à 3 micromètres. Dans une variante de réalisation, lorsque les deux électrodes doivent systématiquement rester à des potentiels identiques, on peut prévoir de modifier le procédé, notamment en le continuant par un nouveau dépôt de silicium polycristallin réunissant les deux électrodes. Cela permet de réduire la résistance d'accès des lignes. C'est ce qui est décrit en référence aux figures suivantes. On dépose une couche de silicium 38 de préférence par décomposition chimique en phase gazeuse. L'épaisseur de dépôt est choisie suffisante pour que la couche 38 comble l'intervalle étroit 32 et produise au dessus de cet intervalle, du fait de l'étroitesse de celui-ci, une surépaisseur importante. (figure 8). On enlève alors, par gravure chimique, une épaisseur uniforme de silicium polycristallin correspondant à l'épaisseur de la couche 38 déposée. Le nitrure de silicium 14 est alors à nouveau dénudé. Il subsiste du silicium polycristallin constituant une électrode 40 dans tout l'espace situé entre les surplombs de nitrure, c 'est-à-dire dans l'espace 25 évidé après l'oxydation épaisse. Cette électrode est disposée au dessus d'une bande 34 dopée constituant un drain. (figure 9). Un point important, notamment dans le cas d'un drain antiéblouissement, est le fait que les deux portions d'électrodes 28, 30 encadrant la bande dopée 34 soient très symétriques, et cela aussi bien dans la réalisation de la figure 7 (électrodes séparées) que dans la réalisation de la figure 9 (électrodes réunies). Le procédé selon l'invention permet d'obtenir cette symétrie. On notera que dans des cas particuliers où l'électrode 40 doit être au même potentiel que le drain 34, ou plus généralement dans le cas où l'invention doit servir à établir une prise de contact entre une ligne de silicum polycristallin et le substrat, on peut se dispenser de l'étape d'implantation ionique de la figure 7 et effectuer plutôt un dopage du substrat en utilisant la deuxième couche de silicium polycristallin 38. Dans ce cas, après l'étape de la figure 6, on enlève la couche isolante mince 24 entre les électrodes 28 et 30, celles-ci servant de masque; puis on dépose la deuxième couche de silicium (celui-ci étant dopé ou déposé en présence d'une impureté de dopage) de la manière indiquée ci-dessus. Le silicium dopé est alors en contact avec le substrat dans l'intervalle 32 et il sert de source de dopant pour former une région 34. On aboutit à une structure similaire à celle de la figure 9, mais dans laquelle la couche 40 est en contact direct avec la région 34. (figure 10). Dans une variante de procédé qui va maintenant être décrite en référence aux figures 10 à 17, on procède au dopage de la ligne 34 avant d'enlever l'oxyde épais 18, c'est-à-dire après l'étape de la figure 2. Si on part à nouveau d'un substrat semiconducteur 10 qui peut être en silicium recouvert d'une couche isolante mince 12, on dépose une couche 14 de masquage contre l'oxydation similaire à celle qui a été décrite en référence à la figure 1. On grave cette couche pour laisser subsister une bande étroite (pouvant descendre jusqu a 1,5 à 2 micromètres de large) de cette couche. (figure 11) Par conséquent, au lieu de former une ouverture étroite comme à la figure 1, on laisse subsister une bande étroite. On procéde à une oxydation thermique profonde du substrat de silIcium. Une couche d'oxyde épais 18 se forme, sauf sous la couche de masquage 14. Les bords 20 et 22 de la couche de masquage se soulèvent durant cette étape d'oxydation, du fait du gonflement de la couche d'oxyde 18. (figure 12). On implante alors L'impureté qui doit servir à former le drain 34 de part et d'autre duquel seront formées ultérieurement deux bandes conductrices. Par conséquent, au lieu de former d'abord les bandes conductrices puis la région dopée, on forme d'abord la région dopée. L'implantation se fait à travers la couche de nitrure de silIcium; celle-ci sert en effet de masque contre ltoxydation mais elle peut être assez mince pour laisser passer les impuretés implantées si l'implantation se fait avec une énergie suffisante. Dans cette étape d'rmplantation, ce sont les couches épaisses d'oxyde de silicium 18 qui serviront de masque empêchant la pénétration des impuretés en dehors de la zone située entre les bords relevés de la couche de masquage. Une zone dopée 34 est formée sous cette dernière zone. (figure 13). On procède alors à l'enlèvement de l'oxyde 18 par désoxydation chimique, laissant un espace évidé 25 de part et d'autre de la couche de masquage 14 et de la région dopée 34. Les bords relevés 20 et 22 de la couche de masquage restent en surplomb au dessus des bords de l'espace évidé 25. (figure 14). Si on désire que les grilles conductrices qu'on veut réaliser soient isolées du substrat 10, on forme alors, par oxydation thermique ou par dépôt, une couche isolante mince 24, en principe en oxyde de silicium. (figure 15). On dépose alors une couche de silicium polycristallin 26 sur toute la surface du substrat, avec des conditions de dépôt telles que le dépôt suive les contours des irrégularités du substrat; en particulier, il faut que le silicium vienne se déposer sous les bords en surplomb 20 et 22 de la couche de masquage 14. (figure 16). On attaque alors anisotropiquement, comme décrit en référence à la figure 6, le silicium de la couche 26 pour ne laisser subsister du silicium que sous les bords en surplomb 20 et 22. Le silicium subsistant constitue deux électrodes très étroites 28 et 30, encadrant une région dopée étroite 34 et autoalignées avec cette région dopée. Les dimensions totales en largeur de ltensemble peuvent ne pas excéder 2 micromètres. Tous les modes de réalisation décrits précédemment utilisent une étape d'oxydation épaisse suivie d'une étape de désoxydation pour former une ouverture recouverte partiellement par des bords en surplomb. C'est en effet le mode de réalisation le plus avantageux. Mais on pourrait aussi envisager un procédé dans lequel on forme non pas une couche de masquage contre ltoxydation mais une couche de masquage contre la gravure du silicium du substrat; on grave cette couche pour définir une bande non protégée; on grave le substrat dans cette bande, avec sous gravure au dessous des bords de la couche de masquage. Les bords restent en surplomb. On effectue la suite du procédé comme expliqué en référence aux figures 4 à 10 : éventuellement une formation d'isolant mince au fond de ltouverture, puis un dépôt de silicum polycristallin suivant le contour de l'ouverture1 y compris sous les bords en surplomb, puis une gravure du silicium en laissant subsister du silicium sous les surplombs. Dans ce cas, les surplombs sont horizontaux et non inclinés vers le haut comme sur les figures précédentes. Il est alors possible d'envisager que la gravure du silicum polycristallin soit une gravure chimique (isotropique) plutôt qu'une gravure par plasma (anisotropique verticale). En effet, même avec une gravure chimique il subsistera du silicium polycristallin sous les remblais dès lors que l'épaisseur de dépôt est suffisante par rapport à la hauteur de l'ouverture située sous les surplombs. Enfin, dans le même esprit que le paragraphe qui précède, une variante de procédé également intéressante est représentée aux figures 18 à 22 On part d'un substrat 10 comportant au moins une couche semiconductrice superficielle; on forme sur ce substrat une couche isolante épaisse 40. Cette couche est formée de préférence par oxydation localisée du semiconducteur puisque cette étape est de toutes façons nécessaire pour d'autres éléments de circuit. Elle est alors en oxyde de silicium pour un substrat de silicium. C'est le substrat ainsi recouvert qui va subir les étapes de l'invention : formation de surplombs puis dépôt et gravure de silicium polycristallin. On dépose une couche de masquage 14, de préférence en nitrure de silIcium, et on définit une ouverture 16 en forme de bande dans cette couche de masquage. La couche servira de protection dans une étape de gravure de la couche 40 (figure 19). On attaque la couche 40 dans la bande 16, avec une gravure chimique. L'attaque est poursuivie jusqu'à mise à nu du substrat 10. Au cours de cette attaque, l'oxyde de silicium est éliminé au dessous des bords 20, 22 de la couche de masquage 14 et ceux-ci restent en surplomb au dessus d'une ouverture 25. Le substrat est denudé dans cette ouverture (figure 20). Si les électrodes qu'on désire former doivent être isolées du substrat par une mince couche isolante 24, on forme alors cette dernière, par exemple par oxydation thermique. Une couche de silicium polycristallin 26 est ensuite déposée, dans des conditions de basse température et basse pression telles que son pouvoir couvrant soit élevé et qu'elle recouvre les bords intérieurs de l'ouverture 25, y compris sous les bords en surplomb 20 et 22 (figure 21). L'épaisseur de silicium déposée est de préférence à peu près égale à la moitié de l'épaisseur de la couche 40; cette dernière est par exemple d'environ 1 micromètre, de sorte que 5000 Angströms de silicium conviennent. La longueur des surplombs est environ égale à l'épaisseur de la couche 40. On grave alors, de préférence par attaque anisotropique verticale (gravure sous plasma), la couche de silicium déposée, pour ne laisser subsister essentiellement que des bandes conductrices 28 et 30 situées sous les surplombs 20 et 22 (figure 22). Une gravure chimique peut aussi être envisagée si elle laisse subsister sous les surplombs une quantité suffisante de silicium. Le résultat de la gravure par plasma ou de la gravure chimique est indiqué à la figure 22. On peut effectuer à ce stade une implantation ionique d'impuretés de dopage du substrat, comme indiqué en référence à la figure 7. Toutefois, les variantes indiquées en référence aux figures 8 à 10 sont également applicables ici. On pourrait d'ailleurs envisager aussi que l'implantation soit faite après l'étape de la figure 20 (ou respectivement figure 4). Un des avantages de ce mode de réalisation des figures 18 à 22 est la présence d'une isolation latérale épaisse de chaque côté des bandes conductrices 28 et 30 lorsqu'on a besoin d'une telle isolation. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de circuit intégré, caractérisé en ce qu il comporte les étapes suivantes - a) on dépose sur un substrat (10, 12; 10,40) une couche (14) de masquage; - b) on grave cette couche pour définir au moins une bande non protégée (16); - c) on forme une ouverture dans le substrat là où il n'est pas protégé par la couche de masquage, cette ouverture (25) s'étendant é également sous les bords de la couche de masquage3 laissant ces bords (20, 22) en surplomb au dessus de l'ouverture; - d) on dépose du silicium polycristallin (26) épousant le contour du substrat et des bords en surplomb; - e) on enlève le silicium par gravure sans masque de sorte que des bandes de silicium très étroites (28, 30) subsistent essentiellement uniquement sous les bords en surplomb. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de masquage est une couche de masquage contre l'oxydation, et en ce que la formation de l'ouverture comporte une étape d'oxydation épaisse du substrat là où il n'est pas protégé et une étape d'enlèvement de l'oxyde épais. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une couche mince isolante (24) est formée sur le substrat avant dépôt de la couche de silicium. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on implante une impureté dans le substrat semiconducteur après gravure du silicium, le substrat étant masqué par les bandes de silicium étroites (28, 30). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que après gravure du silicium on dépose une deuxième couche de silicium polycristallin (38) dans des conditions propres à combler l'intervalle entre les bandes étroites de silicium et à former une surépaisseur de silicium au dessus de cet intervale, et en ce qu'on enlève ensuite une épaisseur de silicium polycristallin égale à l'épaisseur déposée, en laissant subsister du silicium (40) entre les bandes étroites (28, 30). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que avant de déposer la deuxième couche de silicium polycristallin, on dénude le substrat, et en ce que le silicium polycristallin de la deuxième couche est dopé et sert de source de dopant pour le substrat entre les bandes étroites de silicium de la première couche. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'ouverture dans le substrat est formée par oxydation épaisse localisée suivie d'une étape de désoxydation, caractérisé en ce que l'on implante une impureté dans le substrat à travers la couche de masquage (14) après formation de l'oxyde épais et avant enlèvement de celui-ci, l'oxyde épais servant de masque contre l'implantation d'impuretés. 8. Procédé selon l'une des revandications précédentes, caractérisé en ce que le substrat (10, 40) comporte au moins un matériau semiconducteur (10) recouvert d'une couche isolante épaisse (40), en ce que la couche de masquage est une couche de masquage contre la gravure de la couche isolante, et en ce que l'étape de gravure du substrat comporte une étape de gravure de la couche isolante épaisse avec sous gravure sous les bords de la couche de masquage.