Brevet FR2770027A1 — publié le 19990423

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE EN SILICIUM A GRAINS HEMISPHERIQUES La présente invention concerne un procédé pour la fabrication d'un condensateur dans un circuit intégré (Cl), et elle concerne plus par- ticulièrement un procédé pour la fabrication d'une structure en silicium à grains hémisphériques (ou structure HSG-Si). Dans une mémoire vive dynamique, ou DRAM, le procédé ca- ractéristique pour accéder à des données consiste à effectuer au choix une charge ou une décharge dans chaque condensateur du réseau de condensateurs sur le substrat semiconducteur. Du fait du niveau d'intégration de plus en plus élevé de circuits intégrés, les dimensions de dispositifs ou de structures (comme des tran- sistors, des condensateurs) deviennent de plus en plus petites. Par con- séquent, dans un condensateur plan classique, le stockage de charges (c'est-à-dire la capacité) diminue. La diminution du stockage de charges fait apparaître divers problèmes, comprenant une dégradation mécanique et une fuite de charges du fait de la susceptibilité plus élevée, et elle oc- casionne donc une perte de potentiel. La fuite de charges qui est occa- sionnée par la susceptibilité plus élevée peut conduire à une période de régénération plus courte, et de ce fait la mémoire ne peut pas accomplir correctement l'enregistrement et la lecture de données. De plus, la dimi- nution du stockage de charges peut nécessiter un plan de lecture de données plus complexe, ou un amplificateur d'induction de charges plus sensible. Jusqu'à présent, il existe trois façons de résoudre les problè- mes ci-dessus qui sont occasionnés par la diminution de capacité d'un condensateur du fait de l'intégration de plus en plus élevée dans un cir- cuit intégré à très haut niveau d'intégration. Le premier procédé consiste à réduire l'épaisseur de la couche diélectrique entre deux conducteurs dans un condensateur. On sait que la capacité est proportionnelle à l'in- verse de la distance entre deux conducteurs dans un condensateur. Par conséquent, la diminution de l'épaisseur de la couche diélectrique aug- mente effectivement la capacité. Cependant, ceci est un procédé difficile à maîtriser, si l'on prend en considération l'uniformité et la stabilité de la couche diélectrique. Le second procédé consiste à adopter un matériau ayant une constante diélectrique plus élevée, comme l'oxyde de tantale (Ta205), pour la couche diélectrique dans un condensateur. La capacité d'un condensateur est proportionnelle à la constante diélectrique de la couche diélectrique entre deux conducteurs. Il s'agit donc d'un procédé direct. Cependant, du fait du courant de fuite élevé et de la faible tension de claquage de ce matériau, cette technique est encore en cours de dé- veloppement. Le troisième procédé consiste à augmenter l'aire de sur- face du noeud de stockage du condensateur. La capacité est proportion- nelle à l'aire de surface du noeud de stockage, c'est-à-dire du conducteur (électrode). Par conséquent, le fait d'augmenter l'aire de surface du noeud de stockage augmente également la capacité. La structure très courante pour augmenter l'aire de surface est la structure en forme d'ai- lettes ou en forme de boîte. Ces structures sont cependant trop com- plexes pour la production en masse. Un autre procédé disponible con- siste à fabriquer pour l'électrode une structure a grains hémisphériques. On pourra se référer aux documents suivants en ce qui concerne le pro- cédé classique pour former une structure d'électrodes HSG-Si. "H Ttoh et al. IEDM, 9(1994)". "M. Sakao et ai. TEDM, 665 (1990)", "J.J. Rosato et al. J. Electrochem. Soc., Vol. 149, n 12, 3678 (1992)", "H. Watanabe et al. IEEE Trans. Elect. Devices, Vol. 42, n 7, 1247 (1995)", "P.C. Fa- zan et al. IEDM, 663 (1990)", et brevet JP 5-315543". La figure la et la figure lb montrent un procédé classique pour former une structure HSG-Si. Premièrement, en se référant à la figure la. on note qu'on forme uniformément une pellicule mince de silicium amor- phe 16, en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD), sur un substrat 10 sur lequel est formée une couche d'oxyde de silicium 14, et qui comporte un trou de contact 12 rempli avec du sili- cium polycristallin qui traverse la couche d'oxyde de silicium 13. Après avoir défini le motif de la pellicule mince de silicium amorphe 16, par photolithographie et attaque ionique réactive (ou RIE). on plonge cette pellicule dans une solution d'acide fluorhydrique (HF) dilué, pour enlever la couche d'oxyde natif 18 qui s'est développée sur la surface de la pelli- cule mince de silicium amorphe 16. La pellicule mince de silicium amor- phe devient un germe très pur pour la nucleation. En se référant a la figure lb, on note que dans un processus de recuit sous ultra-vide, on projette sur la pellicule mince de silicium amor- phe 16 sur le substrat 10 un jet moléculaire de disilane (Si2H6), et on effectue l'opération de recuit. Par conséquent, il se produit une migration des atomes de silicium à l'intérieur de la pellicule mince de silicium amorphe, et une structure à grains hémisphériques (ou HSG) 16a se forme sur la surface. Lorsqu'on applique le procédé ci-dessus pour former une structure d'électrode HSG-Si dans une mémoire DRAM, la capacité obte- nue est seulement 1,8 fois celle d'une électrode plane normale. De plus. après la croissance du HSG-Si, le processus d'attaque de diminution d'épaisseur qui est effectué à la suite conduit à une augmentation de ca- pacité s'élevant jusqu'à 30% à 50%. Un but de l'invention est donc de procurer un procédé pour la fabrication d'une structure HSG-Si à titre de noeud de stockage, c'est-à- dire une électrode de stockage, d'un condensateur dans un circuit inté- gré. Le condensateur avec les électrodes fabriquées par le procédé a une capacité élevée et il peut être utilisé dans un circuit intégré avec un niveau d'intégration élevé. Un autre but de l'invention est donc de procurer un procédé pour la fabrication d'une structure HSG-Si avec une croissance plus ra- pide. Dans l'invention, le silicium polycristallin avec une vitesse de crois- sance plus élevée est utilisé à titre de germe pour la nucleation, à la place de silicium amorphe pur. Par conséquent, les étapes de dépôt et d'ensemencement du silicium amorphe, qui prennent du temps, et le pro- cessus de recuit sous ultra-vide. sont sautés. Le processus est simplifié et le coût de fabrication est diminué. Pour atteindre ces buts et avantages, et conformément à l'objet de l'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon gé- nérale, I'invention porte sur un procédé de fabrication d'une structure en silicium a grains hémisphériques à titre de noeud de stockage, c'est-à- dire une électrode de stockage d'un condensateur dans un circuit intégré. On fournit un substrat sur lequel sont formés une couche d'oxyde de sili- cium et un trou de contact. Le trou de contact traverse la couche d'oxyde de silicium, et il est rempli avec du silicium polycristallin, à titre de bou- chon de contact. En utilisant le dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD), on forme une couche de silicium polycristallin sur le substrat. On définit ensuite un motif dans la couche de silicium poly- cristallin, par un processus classique de photolithographie et d'attaque, de façon à recouvrir le trou de contact et une partie de la couche d'oxyde de silicium. On enlève la couche d'oxyde de silicium natif sur la surface de la couche de silicium polycristallin, avec H2 ou une solution de HCI. En utilisant du silane ou du chlorosilane à titre de précurseur, on fait croître sur la surface une structure HSG-Si. par dépôt chimique en phase vapeur. Le sous-produit qui se forme pendant la formation de la structure HSG-Si, tel que HCI, ou le HCI et le H2 supplémentaires, réagissent avec l'oxyde de silicium. La possibilité de croissance de HSG- Si sur la couche d'oxyde de silicium est donc réduite. Autrement dit, on peut utiliser HCI à titre d'agent d'attaque, pour ajuster la sélectivité pour la croissance de grain sur la couche de silicium polycristallin et la couche d'oxyde de sili- cium. Pendant la croissance, on peut ajouter de l'arsine (AsH3) ou de la phosphine (PH3) à titre de dopant de type N, ou bien on peut ajouter du diborane (B2H6) à titre de dopant de type P. Il faut noter que la description générale précédente ainsi que la description détaillée suivante sont présentées seulement à titre d'exem- ple et d'explication, et ne restreignent pas l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure la et la figure lb montrent le procédé classique pour fabriquer une structure HSG-Si; et La figure 2 montre le procédé pour fabriquer une structure HSG-Si dans un mode de réalisation préféré conforme à l'invention. Un mode de réalisation préféré conforme à l'invention procure un procédé pour fabriquer une structure HSG-Si qui est appliquée à l'électrode de stockage d'un condensateur. La capacité est augmentée du fait de l'aire de surface accrue de la structure HSG-Si. On forme un substrat sur lequel sont formés une couche d'oxyde de silicium et un trou de contact. Le trou de contact traverse la couche d'oxyde de silicium, et il est rempli avec du silicium polycristallin à titre de bouchon de contact. On forme une couche de silicium polycris- tallin sur le trou de contact et sur la couche d'oxyde de silicium, en utili- sant le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD. On définit ensuite le motif de la couche de silicium polycristallin par un processus classique de photolithographie et d'attaque. On enlève la couche d'oxyde de sili- cium natif sur la surface de la couche de silicium polycristallin, avec H2 ou une solution de HCI. En utilisant du silane ou du chlorosilane à titre de précurseur, on fait croître une structure HSG-Si sur la surface, par dépôt chimique en phase vapeur. Le sous-produit qui est formé pendant la formation de la structure HSG-Si, tel que HCI, ou le HCI et le H2 sup- plémentaires, réagissent avec l'oxyde de silicium. Par conséquent, la possibilité de croissance de HSG-Si sur la couche d'oxyde de silicium est réduite. Autrement dit, on peut utilise HCI à titre d'agent d'attaque, pour ajuster la sélectivité pour la croissance de grain sur la couche de silicium polycristallin et la couche d'oxyde de silicium. Pendant la nucléation, on peut ajouter de l'arsine (AsH3) ou de la phosphine (PH3) à titre de dopant de type N, ou bien on peut ajouter du diborane (B2H6) à titre de dopant de type P. Les paragraphes qui suivent présentent une description dé- taillée d'un mode de réalisation préféré conforme à l'invention. En se référant à la figure 2, on note qu'on fournit un substrat comprenant une couche d'oxyde de silicium 24 et un trou de contact 22 qui traverse la couche d'oxyde de silicium 24. On remplit le trou de contact avec du silicium polycristallin à titre de bouchon de contact. On définit ensuite un motif dans la couche de silicium polycristallin, par un processus classique de photolithographie et d'attaque, tel que l'attaque ionique réactive, ou RIE, pour former une électrode inférieure. La couche de silicium polycristallin 26, c'est-à-dire l'électrode inférieure, comme re- présenté sur la figure 2, recouvre le trou de contact 22 et une partie de la couche d'oxyde de silicium 24. Pour la commodite du processus ultérieur, on enlève avec H2 ou une solution de HCI, une couche d'oxyde natif sur la surface de la couche de silicium polycristallin 26. En utilisant du chlorosilane à titre de précurseur, à environ C à 600 C, on fait croître des grains de silicium par CVD. On notera cependant que des précurseurs appropriés comprennent le silane (SiH4), le dichlorosilane (SiH2CI2), le trichlorosilane (SiHCI3) ou le chlorure de silicium (SiC14). Les formules de la réaction de ces précurseurs sont SiH4 - Si(s) + 2H2(g) SiH2CI2 - Si(s) + 2HCI(g) t SiHCI3 + H2 - Si(s) + 3HCl(g) t SiCI4 + 2H2 Si(s) + 4HCI(g) Bien qu'on puisse faire croître HSG-Si sur la couche d'oxyde de silicium 24, les sous- produits HCI et H2 pour la formation des grains de silicium réagissent avec l'oxyde de silicium et avec le silicium, de la fa- çon suivante: SiO2 + 2H2 - 2SiO(g + 2H20(g) Si + 2HCI - H2(g) + Si2C12(g) On sait d'après les formules ci-dessus que le silicium et l'oxyde de silicium sont attaqués et enlevés par H2 et HCI. Les produits finals se dégagent ensuite sous forme gazeuse. Il faut noter que sur la couche de silicium polycristallin 26, la nucléation de Si sur le silicium polycristallin se produit immédiatement, et la vitesse à laquelle HCI attaque et enlève Si est beaucoup plus faible que la vitesse de croissance de HSG-Si. Au contraire, la nucléation du silicium sur la couche d'oxyde de silicium 24 est réduite du fait du plus long temps d'incubation, et Si est attaqué par H2 et HCI. Par conséquent, la sélectivité pour la formation de HSG-Si est renforcée. La structure HSG-Si 28 résultante est représentée sur la figure 2. En plus des sous-produits, on peut ajouter de façon externe HCI et H2, en fonction des besoins, pour ajuster la sélectivité pour la croissance des grains de silicium et l'enlèvement de SiO2/Si. Cependant, du fait de la résistance élevée du silicium non do- pé, on implante un dopant pour diminuer la résistance, c'est-à-dire pour augmenter la conductivité. En outre, le dopage sur place peut être ef- fectué pendant la croissance de HSG-Si pour la formation de HSG-Si dans la même chambre de réaction. Le gaz de dopage est AsH3 ou PH3 pour un dopant de type N, ou B2H6 pour un dopant de type P, en fonction des besoins. L'invention adopte le procédé de dépôt chimique en phase va- peur sélectif pour former directement HSG-Si, à la place du processus classique de dépôt et d'ensemencement de silicium amorphe, et de recuit sous ultra-vide. On sait que la vitesse de dépôt de silicium amorphe est très lente. On obtient une structure HSG-Si avec une plus grande aire de surface, par un processus simplifié. Par conséquent, le temps de fabrica- tion et le coût de fabrication sont réduits. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- portées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la fabrication d'une structure en silicium à grains hémisphériques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: on fournit un substrat (20), comprenant une couche d'oxyde de silicium (24) et un trou de contact (22) qui traverse la couche d'oxyde de silicium, le trou de contact étant rempli avec du silicium polycristallin; on forme une couche de silicium polycristallin (26) et on définit un motif dans celle-ci, de façon à recouvrir le trou de contact (22) et une partie de la couche d'oxyde de silicium (24); et on forme selectivement une struc- ture en silicium a grains hémisphériques (28) sur le substrat (20), en uti- lisant le dépôt chimique en phase vapeur en employant un chlorosilane à titre de précurseur, de façon à former deux sortes de sous-produits. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue le dépôt chimique en phase vapeur dans une plage de tempéra- ture comprise entre 200 C et 600 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chlorosilane comprend le monochlorosilane, le dichlorosilane, le trichlo- rosilane et le chlorure de silicium. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sousproduits sont l'hydrogène et le chlorure d'hydrogène, de façon que la croissance du silicium à grains hémisphériques sur la couche d'oxyde de silicium (24) soit réduite, et que la structure en silicium à grains hémi- sphériques (28) soit formée sur la couche de silicium polycristallin (26). 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on ajoute de l'hydrogène et du chlorure d'hydrogène supplémentaires pen- dant le dépôt chimique en phase vapeur, pour ajuster la sélectivité entre la croissance du silicium à grains hémisphériques sur la couche de sili- cium polycristallin (26) et sur l'oxyde de silicium (24). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on dope sur place le silicium à grains hémisphériques. avec un dopant, pen- dant le dépôt chimique en phase vapeur. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dopant est une arsine ou une phosphine. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérise en ce que le dopant est un diborane. 9. Procédé de fabrication d'une structure en silicium à grains hémisphériques, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes on fournit un substrat (20), comprenant une couche d'oxyde de silicium (24) et une électrode inférieure (26) sur la couche d'oxyde de silicium (24), I'électrode inférieure étant connectée au substrat (20) par une fe- nêtre de contact (22); et on forme sélectivement une structure en silicium à grains hémisphériques (28) sur le substrat, en utilisant le dépôt chimi- que en phase vapeur en utilisant un chlorosilane à titre de précurseur, de façon que deux sous-produits soient formés. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'électrode inférieure consiste en une couche de silicium polycristallin (26). 11. Procédé selon la revendication 8. caractérise en ce que le dépôt chimique en phase vapeur est effectué dans une plage de tempé- rature comprise entre 200 C et 600 C. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le chlorosilane comprend le monochlorosilane, le dichlorosilane. le trichlo- rosilane et le chlorure de silicium. 13. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les sousproduits sont l'hydrogène et le chlorure d'hydrogène, de façon que la croissance du silicium à grains hémisphériques sur la couche d'oxyde de silicium (24) soit réduite, et que la structure en silicium à grains hémi- sphériques (28) soit formée sur l'électrode (26). 14. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on ajoute de l'hydrogène et du chlorure d'hydrogène supplémentaires pour ajuster la sélectivité entre la croissance du silicium à grains hémisphéri- ques (28) sur l'électrode inférieure (26) et sur la couche d'oxyde de sili- cium (24). 15. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'on dope sur place le silicium à grains hémisphériques avec un dopant pen- dant le dépôt chimique en phase vapeur. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le dopant est une arsine ou une phosphine. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le dopant est un diborane.