Brevet FR2747508A1 — publié le 19971017

PROCEDE DE FABRICATION DE PELLICULES DE Ta205 A FAIBLE COURANT DE FUITE La présente invention concerne de façon générale un procédé pour fabriquer le diélectrique de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconducteurs, et elle concerne en particulier un procédé pour fabri- quer le diélectrique de condensateurs de stockage à faible courant de fuite de dispositifs de mémoire vive dynamique, ou DRAM, empilés à densité élevé. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD) d'oxyde de tantale qui est mis en oeuvre dans un réacteur à parois froides, pour fabriquer des diélectriques de stockage pour des dispositifs de mémoire à semi- conducteurs à densité élevée, ayant de bonnes caractéristiques de capa- cité et de courant de fuite, qui sont réalisés avec une opération de recuit dans un four d'oxydation à basse pression, en lots d'un grand nombre de dispositifs. Des dispositifs de mémoire à semiconducteurs à densité élevée, en particulier des dispositifs de mémoire vive dynamique, sont en cours de développement jusqu'au niveau de plusieurs gigabits par dispositif. Des matériaux de stockage diélectriques qui sont utilisés dans des dispo- sitifs de mémoire actuels, de l'ordre du mégabit, employant la technologie actuelle pour les matériaux dans la fabrication de dispositifs, ne permet- tront pas à ces dispositifs de mémoire d'atteindre des densités de stock- age supérieures à environ 256 Mbit par dispositif. Ceci est dû essentiel- lement à la limitation de la densité de charge par cellule de mémoire qui peut être conservée et entretenue pendant une durée raisonnable avant d'exiger une régénération. Parmi les matériaux que l'on envisage pour les diélectriques de stockage dans la génération suivante de dispositifs de mémoire du ni- 2 2747508 veau du gigabit, des pellicules de Ta205 déposées par dépôt chimique en phase vapeur semblent être prometteuses, du fait de leur permittivité élevée de façon inhérente de leurs excellentes caractéristiques de cou- verture de marche. Cependant, un problème important dans l'utilisation de ces matériaux de stockage à constante diélectrique élevée consiste dans le courant de fuite élevé qu'ils présentent lorsqu'ils sont mis en oeuvre dans les diélectriques de stockage utilisant la technologie ac- tuelle. Cependant, jusqu'à présent, on n'a accordé que très peu d'atten- tion aux techniques utilisées pour réduire le courant de fuite dans le Ta205, ce qui a empêché l'utilisation du Ta205 à titre de diélectrique de stockage utilisable avec succès pour la production commerciale en masse de dispositifs de mémoire à densité élevée. La caractérisation systémati- que des propriétés électriques du Ta2O5 déposé par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression et traité dans différentes conditions de recuit, n'est effectivement pas disponible à ce stade et fait encore l'objet de recherches. Le but principal de la présente invention est donc de procurer un procédé pour fabriquer des diélectriques de condensateurs de dispo- sitifs de mémoire à semiconducteurs, ayant des caractéristiques de faible courant de fuite. Un autre but de la présente invention est de procurer un procé- dé pour fabriquer dans un environnement à basse pression les diélectri- ques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconducteurs ayant des caractéristiques de faible courant de fuite. Un autre but encore de la présente invention est de procurer un procédé pour la fabrication de façon économique, et d'une manière con- venant pour la production de masse, des diélectriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconducteurs ayant des caractéristiques de faible courant de fuite. Pour atteindre les buts identifiés ci-dessus, la présente inven- tion procure un procédé pour la fabrication de pellicules de Ta205 pour des diélectriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semicon- ducteurs, tels que des mémoires vives dynamiques empilées, ayant des caractéristiques de faible courant de fuite. Le procédé comprend les éta- pes qui consistent à préparer initialement un substrat semiconducteur en 3 2747508 silicium portant une couche d'électrode en silicium polycristallin nitruré par NH3. On dépose ensuite une pellicule de Ta205 sur la surface de la couche d'électrode. On recuit ensuite la pellicule de Ta205 déposée, dans un four contenant un gaz consistant en N20, à une température d'environ 800 C, pendant environ 30 minutes. La procédure originale de recuit après dépôt donne une pellicule de Ta205 pour des diélectriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconducteurs, ayant un faible courant de fuite et une bonne fiabilité, et qui convient particulière- ment pour le traitement par lots dans des fours d'oxydation classiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: Les figures la et lb montrent schématiquement des coupes des diélectriques de stockage du dispositif de mémoire, en compagnie de leur électrode, qui sont fabriqués conformément à un mode de réalisation préféré de la présente invention, comme représenté respectivement à des stades de processus sélectionnés; La figure 2 montre les caractéristiques de courant de fuite de pellicules de Ta205 sur du silicium polycristallin de type n+, en fonction du champ électrique effectif, avant et après divers traitements de recuit après dépôt; La figure 3 montre les caractéristiques de distribution de champ critique de pellicules de Ta205 après divers traitements de recuit après dépôt; et La figure 4 montre une prédiction de l'espérance de durée de vie en termes de fiabilité pour le dispositif fabriqué conformément au mode de réalisation préféré de la présente invention. Pour permettre de fabriquer des diélectriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconducteurs ayant des caractéristiques de faible courant de fuite, le procédé de la présente invention est exem- plifié par un mode de réalisation préféré qui est décrit dans les paragra- phes suivants. On notera que les dimensions sur les figures la et lb ne sont pas dessinées à l'échelle exacte, du fait que celles-ci ne montrent que de façon schématique les représentations en coupe du dispositif en 4 2747508 cours de fabrication. Etape 1 On prépare un substrat semiconducteur en silicium portant une couche d'électrode, à titre de base pour la fabrication d'un dispositif de mémoire à densité élevée, utilisant la pellicule de Ta205 pour sa couche de diélectrique de condensateur de cellule de mémoire. Comme on le voit sur la figure la, le substrat 10 peut être par exemple un substrat en silicium (Si) de type n+, ou un substrat en silicium polycristallin (poly-Si) de type n+, portant une couche d'électrode 11 qui consiste en silicium polycristallin (poly-Si) nitruré avec NH3. Etape 2 On dépose une pellicule de Ta205 sur le substrat semiconduc- teur en silicium. Sur la figure lb, on peut voir que la pellicule de Ta205 12 est déposée par exemple dans un réacteur de dépôt chimique en phase va- peur à basse pression (ou LPCVD). On peut déposer la pellicule de Ta205 12 de façon qu'elle ait une épaisseur d'environ 8-16 nm. Etape 3 On applique à la pellicule de Ta205 déposée une procédure de recuit dans un four contenant une atmosphère de N20. La procédure de recuit thermique de la pellicule de Ta205 12 déposée peut être accomplie par exemple dans une atmosphère de N20, à une température d'environ 800 C pendant environ 30 minutes. Le trai- tement de recuit dans N20 peut être effectué dans des fours d'oxydation classiques. Ceci signifie que la procédure de recuit thermique peut être accomplie par lots, ce qui permet de traiter simultanément plusieurs tran- ches. Ceci est particulièrement avantageux pour la production commer- ciale de masse. Les étapes de procédure décrites ci-dessus constituent fonda- mentalement le procédé de la présente invention pour la fabrication des diélectriques de stockage pour condensateurs, consistant en Ta205 dé- posé par LPCVD et ayant un faible courant de fuite, dans des dispositifs de mémoire à semiconducteurs à densité élevée, tels que des mémoires vives dynamiques (ou DRAM) empilées. Il faut noter que, comme l'homme de l'art l'appréciera aisément, un procédé de fabrication complet pour 2747508 fabriquer des dispositifs de mémoire à semiconducteurs, tels que des mémoires DRAM, comprendrait des étapes accomplies avant et après la procédure, en plus de celles qui sont décrites dans le mode de réalisa- tion exemplifié ci-dessus. Pour monter les effets qu'un traitement de recuit après dépôt, décrit sommairement à l'étape 3 ci-dessus, utilisant N20, exerce sur les caractéristiques électriques de diélectriques de stockage en Ta205 dépo- sés par LPCVD, sur des électrodes en silicium polycristallin nitruré par NH3, pour des mémoires DRAM empilées, on va étudier des échantillons de diélectriques de stockage pour condensateurs en Ta205 déposés par LPCVD, en employant trois autres conditions différentes de recuit après dépôt. Celles-ci comprennent (a) un recuit thermique rapide dans 02 (RTO2), (b) un recuit au four classique dans 02 (FO2), et (c) un recuit thermique rapide dans N20 (RTN20). Les résultats indiquent que des pellicules de Ta205 avec recuit au four dans N20, conformément à la présente invention, ont le plus faible courant de fuite, la meilleure distri- bution de champ de claquage diélectrique et la meilleure fiabilité. La figure 2 montre les caractéristiques de courant de fuite de pellicules de Ta205 sur du silicium polycristallin de type n+, en fonction du champ électrique effectif, avant et après divers traitements de recuit après dépôt. Les conditions respectives de ces traitements de recuit après dépôt sont indiquées ci-dessous. (a) RTO2 à 800 C pendant 60 secondes. (b) Four contenant 02 à 800 C pendant 30 minutes. (c) RTN2O à 800 C pendant 60 secondes. (d) Four contenant N20 à 800 C pendant 30 minutes. La figure 2 montre clairement que la procédure de recuit au four dans N20 de la présente invention, accomplie à 800 C pendant 30 minutes, produit le plus faible courant de fuite. Un mécanisme plausible pour cette réduction du courant de fuite par le recuit au four dans N20 peut être attribué aux espèces réactives consistant en oxygène atomique (O+) qui sont générées par la dissociation du gaz N20 à température éle- vée, le recuit au four offrant un temps suffisant pour réduire des défauts de la pellicule. Les espèces réactives consistant en oxygène atomique qui sont générées peuvent contribuer à remplir les lacunes d'oxygène qui 6 2747508 se produisent pendant la procédure de dépôt de Ta205 par CVD, ainsi qu'à réduire la concentration de carbone et d'hydrogène dans la pellicule. C'est la raison pour laquelle le recuit au four dans N20 produit une plus faible fuite que le recuit thermique rapide dans N20. Cependant, cette procédure de recuit au four peut être accomplie dans des fours d'oxyda- tion classiques qui, comme mentionné ci-dessus, conviennent parfaite- ment pour la production de masse. En d'autres termes, on peut traiter simultanément un lot de tranches contenant de façon caractéristique plus de 50 tranches. La figure 3 montre que la procédure de recuit au four dans N20 conforme à la présente invention présente une distribution de champ cri- tique plus resserrée et un champ critique plus élevé, en comparaison avec trois autres procédés de recuit. On a mesuré le champ critique à une densité de courant de 1 iA/cm2, avec une électrode supérieure pola- risée à une tension positive. La figure 4 montre une prédiction d'espérance de durée de vie. Lorsqu'on compare le procédé de la présente invention avec l'art anté- rieur, on peut prévoir une meilleure espérance de durée de vie de dispo- sitifs. Comme on le voit sur le dessin, pendant la durée de vie de 10 ans qui est analysée, le dispositif fabriqué conformément au procédé de la présente invention manifeste une fiabilité plus élevée et il est capable de supporter un champ électrique effectif plus éleve. L'examen d'échantillons de diélectriques pour condensateurs consistant en Ta2O5 déposé par LPCVD, qui ont subi les diverses procé- dures de recuit après dépôt décrites ci-dessus, fait apparaître que la pro- cédure de recuit au four dans N20 de la présente invention donne le plus faible courant de fuite et les meilleures caractéristiques de fiabilité. Ceci est encore amélioré par le fait que, comme mentionné ci-dessus, la pro- cédure de recuit au four dans N20 peut être accomplie par un traitement par lot dans des fours d'oxydation classiques. Ceci est particulièrement avantageux en ce qui concerne les exigences de production de masse, du fait que le coût peut être réduit et le rendement global peut être augmenté. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- portées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 7 2747508 REVENDICATIONS 1. Procédé pour fabriquer des pellicules de Ta205 pour des di- électriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconduc- teurs ayant des caractéristiques de faible courant de fuite, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on prépare un substrat semiconducteur en silicium (10) portant une couche d'élec- trode (11); on dépose une pellicule de Ta205 (12) sur la couche d'élec- trode; et on recuit au four la pellicule de Ta205 (12) déposée, dans une atmosphère de N20. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on recuit la pellicule de Ta205 (12) à une température d'environ 800 C. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on recuit la pellicule de Ta2O5 (12) pendant environ 30 minutes. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur en silicium (10) est un substrat en silicium de type n+ ou un substrat en silicium polycristallin de type n+. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on forme la couche d'électrode (11) en silicium polycristallin nitruré avec NH3. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pellicule de Ta205 (12) a une épaisseur d'environ 8 à 16 nm. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on dépose la pellicule de Ta205 (12) dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on recuit la pellicule de Ta205 (12) dans un four d'oxydation. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on recuit la pellicule de Ta205 (12) dans un four d'oxydation en procédant par lot, simultanément à d'autres pellicules de Ta205 se trouvant sur différentes tranches. 10. Procédé pour fabriquer des pellicules de Ta205 pour des diélectriques de condensateurs de dispositifs de mémoire à semiconduc- teurs ayant des caractéristiques de faible courant de fuite, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on prépare un substrat semiconducteur en silicium (10) portant une couche d'élec- 8 2747508 trode (11); on dépose une pellicule de Ta205 (12) sur la couche d'élec- trode; et on recuit au four la pellicule de Ta205 (12) déposée, dans une atmosphère de N20 à une température d'environ 800 C pendant environ minutes.