Brevet FR2801426A1 — publié le 20010525

CAPACITÉ INTEGREE A DIÉLECTRIQUE MIXTE La présente invention concerne les circuits intégrés et plus particulièrement les capacités intégrées sur substrat silicium. A l'heure actuelle, il est de pratique courante de réaliser circuits intégrés pourvus d' ou plusieurs capacités intégrées de forte valeur remplaçant avantageusement les condensateurs conventionnels se présentant sous forme de composants discrets. De telles capacités trouvent diverses applications dans le domaine des circuits analogiques et des circuits par exemple pour le filtrage des tensions d'alimentation, la réalisation de circuits d'antenne résonants etc.. Parmi capacités intégrées connues, les capacités à électrodes métalliques présentent de nombreux atouts par rapport aux capacités à électrodes en silicium polycristallin. D'une part, les électrodes métalliques présentent une excellente conductivité électrique alors que les électrodes en silicium polycristallin nécessitent, à cet effet, un traitement de siliciuration en présence d'un métal comme du tungstène ou du titane. D'autre part, les capacités à électrodes métalliques sont d'une grande simplicité de fabrication, l'électrode inférieure étant généralement réalisée à partir de l'une des dernières couches métalliques des circuits intégrés, par exemple une couche métallique servant à réaliser des pistes conductrices. Ainsi, au regard du procédé habituel de fabrication des circuits intégrés, la réalisation d'une capacité à électrodes métalliques ne nécessite qu'une étape de dépôt d'une couche de diélectrique une couche métallique préexistante, utilisée en tant couche de première électrode, et une étape de dépôt d' couche métallique de deuxième électrode. Le diélectrique est déposé à une température modérée de l'ordre de 400 afin ne pas endommager la couche métallique de première électrode. Enfin, capacités à électrodes métalliques présentent une faible capacité parasite par rapport au substrat de silicium, du fait qu'elles sont réalisées, comme on vient de l'indiquer, sur l'un des derniers niveaux des circuits intégrés. Toutefois il s'avère en pratique que les capacités à électrodes métalliques présentent une linéarité en tension médiocre, la linéarité en tension étant définie par le rapport OC/C dans lequel C désigne la capacité à tension nulle et 4C les variations de la capacité C avec la tension appliquée. Le rapport OC/C d'une capacité à électrodes métalliques est typiquement de l'ordre de 200 10-6/V, soit un défaut de linéarité au moins 10 fois supérieur à la valeur généralement tolérée par les concepteurs de circuits intégrés analogiques. Pour cette raison, les capacités à électrodes métalliques, malgré les avantages rappelés ci-dessus, connaissent à l'heure actuelle que peu d'applications dans le domaine des circuits analogiques et des circuits RF. Au terme de diverses études, les auteurs de la présente invention ont émis l'hypothèse que le phénomène de non linéarité précité, qui ne se manifeste que faiblement dans les capacités à électrodes en silicium polycristallin, est lié au fait que le diélectrique est déposé à une température modérée, entraînant l'incorporation de nombreux atomes d'impuretés (H, N, C... et la création de nombreux états d'interface, prenant généralement la,forme de liaisons pendantes. En outre, les capacités à électrodes métalliques, contrairement aux capacités à électrodes en silicium polycristallin, ne sont pas soumises à une etape de recuit à haute température, réalisée classiquement à une temperature de l'ordre de 850 C pendant plusieurs dizaines de minutes. Rappelons en effet que dans le processus classique de fabrication des circuits intégrés, les étapes classiques de recuit pour l'activation des dopants sont toujours réalisées avant le depôt des couches métalliques afin de ne pas endommager ces dernières. Ainsi, il apparaît que la médiocre linéarité tension des capacités à électrodes métalliques est liée à la présence d'impuretés dans le diélectrique et/ou à une formation incomplète du diélectrique, qu'un recuit à haute température fait en partie disparaître. Ceci est confirmé par les relations (1) à (3) ' après, qui donnent respectivement la valeur d'une capacité électrique C en fonction de la permittivité absolue c du diélectrique, et la valeur de la permittivité E du diélectrique en fonction de la tension V ou du champ électrique E appliqué à la capacité (1) C = E S/d avec (2) E = Eo + A + B Ez soit . (3) E = Eo + A + B VZ/a'Z S étant surface des électrodes de la capacité, la distance entre les électrodes, ou épaisseur du diélectrique, co la permittivité du vide, A une constante et B un terme quadratique multiplié par le carré la tension appliquée. Ainsi, est clair que les variations d'une capacité en fonction de la tension sont dues aux variations de la permittivité e de son diélectrique, et plus particulièrement à l'existence du terme quadratique Le terme quadratique B est généralement très petit devant la constante A. Toutefois, l'épaisseur d du diélectrique d'une capacité intégrée est très faible, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, et supporte une tension de quelques volts. Dans ces conditions, le champ électrique E, égal à V/d, est très élevé et l'effet du terme quadratique n'est plus négligeable. Par exemple, une capacité ayant un diélectrique d'une épaisseur de 30 nm soumise à une tension de 3V supporte un champ électrique très élevé de 108V/m. Ainsi, un objectif général de la présente invention est de prévoir une capacité intégrée présentant une linéarité en tension satisfaisante sans nécessairement prévoir une étape de recuit à haute température, ainsi qu'un procédé de fabrication de cette capacité. Un autre objectif de la présente invention est de prévoir un diélectrique basse température ayant un terme quadratique aussi petit que possible, et un procédé de fabrication d'un tel diélectrique. Ces objectifs sont atteints par la prévision un diélectrique comprenant une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivites évoluant de façon opposée en fonction du champ électrique, la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison étant choisie de manière que la combinaison présente une permittivité peu sensible au champ électrique. Selon un mode de réalisation, le diélectrique est du type SiOxNy avec différent de y. La présente invention concerne également une capacité intégrée un substrat de silicium, comprenant des couches de première et de deuxième électrodes une couche de diélectrique comprenant une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivités évoluant de façon opposee en fonction du champ électrique, la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison étant choisie de manière que la capacité présente une linéarité en tension satisfaisante. Selon un mode de réalisation, le diélectrique est type SiO,,Ny avec x différent de y. Selon un mode de réalisation, le matériau constituant les couches de première et de deuxième électrodes est choisi dans le groupe comprenant l'aluminium, le cuivre, le tungstène, le titane, le nitrure de titane leurs alliages. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une capacité intégrée sur un substrat de silicium, comprenant une étape de dépôt d'une couche de première électrode, une étape de dépôt d'une couche de diélectrique, et une étape de dépôt d'une couche de deuxième électrode, l'étape de dépôt de la couche de diélectrique comprenant le dépôt d'une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivités évoluant de façon opposée en fonction du champ électrique, la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison étant choisie de manière la capacité présente une linéarité en tension satisfaisante. Selon un mode de réalisation, les deux diélectriques combinés sont de l'oxyde de silicium et nitrure de silicium, le diélectrique présentant une composition du type SiO.Ny avec x différent de y. Selon un mode de réalisation, la proportion de chaque dielectrique dans la combinaison est déterminée par des essais préalables, en observant la linéarite en tension de capacités de test comprenant des proportions de dielectriques différentes. Selon un mode de réalisation, le diélectrique est déposé en phase vapeur et la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est déterminée notamment par un reglage des débits gazeux des gaz constitutifs de chacun diélectriques de la combinaison. Selon un mode de réalisation, les couches de première et deuxième électrodes sont constituées par un matériau choisi dans le groupe comprenant l'aluminium, le cuivre, tungstène, le titane, le nitrure de titane et leurs alliages. objets, caractéristiques et avantages de l'invention seront exposés plus en détail dans la description suivante d'un procédé de fabrication d'un diélectrique selon l'invention et d'une capacité comportant un tel diélectrique, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles - figure 1 représente la courbe de non-linéarité d'une capacité à oxyde de silicium classique, - figure 2 représente la courbe de non-linéarité d'une capacité à nitrure de silicium classique, - figures 3A à 3D représentent schématiquement, par vues en coupe, des étapes de fabrication d'une capacité selon l'invention, et - figure 4 représente des courbes de non-linéarité de capacités selon l'invention. La présente invention repose sur la constatation selon laquelle certains diélectriques ont des permittivités qui évolue de façon inverse en fonction de tension appliquée. Une telle constatation ressort de la comparaison des deux diélectriques les plus utilisés dans l'industrie du semi-conducteur, à savoir 'oxyde de silicium Si02 et le nitrure de silicium SiN. Pour fixer idées, les figures 1 et 2 représentent schématiquement sous la forme de deux courbes A2 les variations en fonction de la tension V d'une capacité C1 a oxyde de silicium et d'une capacité C2 à nitrure de silicium. Il apparaît nettement que les courbes A1, A2, en forme de paraboles, sont opposées l'une à l'autre, les deux branches de la courbe A1 étant orientées vers le bas alors que les branches de la courbe A2 sont orientées vers le haut. Pour expliquer ce phénomène, on définit terme quadratique B d'un diélectrique [voir préambule relations (2) et (3) ] comme la résultante de deux termes Ba"j et BPo1 qui dépendent des grandeurs microscopiques du diélectrique (4) B (Banff - BPo1) Banï représentant la contribution de l'anisotropie moléculaire diélectrique, et Bpoli la contribution dipôles permanents du diélectrique. Ceci est au fait que, sous l'action d'un champ électrique, le diélectrique se polarise et que plusieurs effets se superposent polarisation ionique polarisation électronique et polarisation dipolaire. Ces effets sont particulièrement sensibles avec les diélectriques basse température n'ayant pas subi de recuit thermique. Ainsi, certains diélectriques ont un terme Bani prédominant sur le terme Bpol et d'autres diélectriques ont un terme Bpol prédominant sur le terme Bani. Notamment, les courbes A1, A2 des figures 1, 2 montrent que l'oxyde de silicium présente un terme quadratique B négatif alors que le nitrure de silicium présente un terme quadratique B positif. Sur la base de cette constatation, l'idée de la présente invention de combiner deux diélectriques ayant des termes quadratiques B de signes opposés, pour obtenir un diélectrique ayant un terme quadratique résultant soit aussi petit que possible. Plus particulièrement, la présente invention propose réaliser diélectrique mixte comprenant une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des termes quadratiques B de signes opposés, obtenue par un mélange des constituants gazeux de diélectriques au moment de la formation du diélectrique mixte. A titre d'exemple non limitatif, on décrira l'application de l'invention à la réalisation d'une capacité intégree ayant un diélectrique basse température SiO,Ny résultant la combinaison des molécules d'un oxyde silicium Si02 et d'un nitrure de silicium SiN. figure 3A est une vue en coupe partielle un circuit intégré en cours de fabrication, dans une zone du circuit intégré où une capacité 20 à électrodes métalliques doit etre réalisée. A ce stade de la fabrication, capacité 20 ne comporte qu'une couche métallique de première électrode 1 déposée sur un substrat de silicium 10 par l'intermédiaire d'une couche électriquement isolante 11. Comme on l'a indiqué au préambule, cette couche de première électrode 1 est par exemple l'une des dernières couches de métal du circuit intégré, par exemple la couche "Métal 4", "Métal 5", "Métal 6" ... selon la structure du circuit intégré et le nombre de niveaux conducteurs qu'il comporte. Ainsi, entre couche de première électrode 1 et le substrat 10 proprement dit, peuvent se trouver .d'autres couches de circuit intégré, notamment des couches métalliques séparees par des couches isolantes, représentées schématiquement par une région 12 en traits hachurés. La couche métallique de première électrode 1, par exemple en aluminium (Al), est déposée classiquement sous vide au moyen d'une vapeur de métal. L'étape illustrée sur la figure 3B caractérise le procédé de l'invention et consiste à déposer sur la couche de première électrode 1 une couche de diélectrique 2 de composition SiO,Ny. Le dépôt du diélectrique SiO,Ny est réalisé au moyen de la technique classique PECVD ("Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition", ou dépôt en phase vapeur assisté par plasma) dans un réacteur industriel standard, par exemple le reacteur commercialisé sous la référence DXZ par la société Applied Materials. Le depôt est réalisé sous vide à une température de l'ordre de 400 C, en présence d'un plasma, en combinant les gaz utilisés classiquement pour déposer de l'oxyde de silicium Si02 et les gaz utilisés classiquement pour déposer le nitrure de silicium SiN. Ces gaz sont par exemple - pour le dépôt d'oxyde de silicium Si02, silane SiH4 et gaz N20 (une molécule complexe comme le TEOS, ou Tetra Ethyl-Ortho-Silicate, peut également être utilisée), - pour le dépôt de nitrure SiN de silicium, le silane SiH4, l'ammoniaque NH3 et l'azote N2. Ainsi, le mélange gazeux dans la chambre PECVD comprend les gaz SiH4, N20, NH3 et N2. En pratique, l'ajustement des quantités stoechiométriques x et y du diélectrique SiO,Ny dépend essentiellement des débits des gaz constitutifs SiH4, N20, NZ dans le réacteur, et de façon secondaire de divers autres paramètres comme la pression, la température, l'intensité et la nature du plasma. De préférence, paramètres secondaires sont fixés une fois pour toutes et les quantités stoechiométriques x et y sont ajustées au moyen des débits de gaz. Avant de se lancer dans une production industrielle de capacités selon l'invention, les paramètres susmentionnés sont déterminés expérimentalement en réalisant une campagne d'essais. Cette campagne d'essais consiste à réaliser diverses capacités de test et vise à rechercher le diélectrique SiO,,Ny le plus stable en fonction du champ électrique, par une analyse de la linéarité en tension des diverses capacités de test. Une fois le diélectrique trouvé, les paramètres de dépôt PECVD ce diélectrique sont consignés et utilisés dans le processus industriel. Les capacités réalisées avec ce diélectrique présentent une linéarité en tension ramenée à des valeurs satisfaisantes de l'ordre de 15 10-6/V soit une réduction par un facteur 10 de la non-linéarité constatée des capacités classiques en oxyde de silicium SiOl, en nitrure de silicium SiN, ou en oxynitrure de silicium SION. Comme illustré sur la figure 3C, on dépose ensuite sur la couche diélectrique 2 une couche métallique de deuxième électrode 3, dont la composition peut être identique à celle de la couche de première électrode 1. La couche de première électrode 1 présente classiquement une épaisseur l'ordre de 500 manomètres, la couche diélectrique 2 présente une épaisseur de l'ordre de quelques dizaines de manomètres, et la couche de deuxième électrode 3 présente une épaisseur de l'ordre 150 manomètres. Comme illustré sur la figure 3D, les couches 1, 3 de première et de deuxième électrodes sont ensuite gravées, commençant par la couche de deuxième électrode 3, de manière à faire apparaître une structure de condensateur ayant des électrodes 21, 23 de dimensions désirées. En pratique, la surface des électrodes 21, 23 peut varier dans de grandes proportions selon la valeur souhaitée de capacité et aller du micromètre carré au millimètre carré. façon générale, une capacité selon l'invention présente une courbe C = f(V) peu sensible à la tension V, qui résulte de la combinaison des courbes paraboliques Al, A2 représentées sur les figures 1 et 2. Cette courbe est par exemple l'une des courbes A9, A5, A6 représentées sur la figure 4, qui restent au voisinage de la courbe plate idéale A3 d'une capacité ayant un diélectrique parfait. D'autre part, outre l'aluminium (Al), les couches de première et de deuxième électrodes peuvent être constituées de divers métaux ou alliages connus, par exemple l'aluminium-cuivre -Cu), le cuivre (Cu), le tungstène (W), le titane ), le nitrure de titane (TiN), et leurs alliages. Par ailleurs, bien que l'invention ait été réalisée pour résoudre le problème de la -linéarité des capacités à électrodes métalliques comportant un diélectrique basse température n'ayant pas subi de traitement thermique, on trouve dans ce qui précède un enseignement général applicable à tous types de capacités. Il est ainsi envisageable, grâce à l'invention, de réaliser des capacités à électrodes en silicium polycristallin en supprimant l'étape classique de traitement thermique, ou en limitant la durée de l'étape de traitement thermique, qui s'avère coûteuse en termes de matériel et de durée du processus de fabrication. La présente invention est également applicable aux capacités des transistors MOS, aux capacités des cellules mémoire DRAM et aux capacités des cellules mémoire EEPROM. Enfin, il entre dans le cadre de la présente invention et il est à la portée de l'homme de l'art d'étendre le champ d'expérimentation de l'invention à tous autres diélectriques connus, pour tous types de combinaisons de deux voire trois ou quatre diélectriques, en comparant les courbes de permittivité des diélectriques. Outre le pentoxyde de tantale Ta205, l'oxynitrure de silicium SION peut être considéré comme une composante éventuelle d'une combinaison de diélectriques selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Diélectrique (2) comprenant une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivités (E) évoluant de façon opposée en fonction du champ électrique, caractérisé en que la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est choisie expérimentalement de manière que la combinaison présente une permittivité dont les variations fonction du champ electrique sont aussi faibles que possible. 2. Diélectrique selon la revendication 1, du type SiO,,Ny avec x différent de y. 3. Capacité (20) intégrée sur un substrat de silicium 10), comprenant des couches (1, 3) de première et de deuxième électrodes et une couche de dielectrique (2) comprenant une combinaison homogène des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivités (e) évoluant de façon opposée en fonction champ électrique, caractérisée en ce que la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est choisie expérimentalement de manière que la capacité présente des variations en fonction de la tension aussi faibles que possible. 4. Capacité selon la revendication 3, caractérisée par un dielectrique du type SiOXNy avec x différent de y. 5. Capacité selon l'une des revendications 3 et 4, dans laquelle le matériau constituant les couches (1, 3) de première et de deuxième électrodes est choisi dans le groupe comprenant l'aluminium, le cuivre, le tungstène, le titane, le nitrure de titane et leurs alliages. 6. Procédé de fabrication d'une capacité (20) intégrée un substrat de silicium (10), comprenant une étape dépôt d'une couche (1) de première électrode, une étape de dépôt d'une couche de diélectrique (2), et une étape de dépôt d'une couche de deuxième électrode (3), 1 étape de dépôt de la couche de diélectrique comprenant le dépôt d'une combinaison homogene des molécules d'au moins deux diélectriques ayant des permittivités (e) évoluant de façon opposée en fonction du champ électrique, caractérisé en ce que la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est choisie expérimentalement de manière que la capacité présente des variations en fonction de la tension aussi faibles que possible. 7 Procédé selon la revendication 6, caracterisé en ce que les deux diélectriques combinés sont de l'oxyde de silicium (Si0Z) et du nitrure de silicium (SiN), le diélectrique présentant une composition du type SiOXNy avec x différent de y. 8 Procédé selon l'une des revendications et 7, dans lequel la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est déterminée par des essais préalables, en observant la linéarité en tension de capacités test comprenant des proportions de diélectriques différentes. 9 Procédé selon l'une des revendications à 8, dans lequel le diélectrique est déposé en phase vapeur et la proportion de chaque diélectrique dans la combinaison est déterminée notamment par un réglage des débits gazeux des constitutifs de chacun des diélectriques de la combinaison. . Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel les couches de première et de deuxième électrodes sont constituées par un matériau choisi dans le groupe comprenant l'aluminium, le cuivre, le tungstène, le titane, le nitrure de titane et leurs alliages.