Brevet FR2813993A1 — publié le 20020315

La présente invention concerne un dispositif de semiconducteur comprenant un substrat comportant une couche isolante formée sur une surface de celui-ci, une couche de matériau semi-conducteur placée sur la surface de la couche isolante, une tranchée partant de la surface de la couche de matériau semi-conducteur et passant à travers la couche isolante pour pénétrer dans le substrat, un revêtement intérieur isolant placé sur les parois latérales et sur la base de la tranchée, et un matériau de remplissage thermiquement conducteur à l'intérieur du revêtement isolant. En particulier, l'invention concerne un dispositif de semiconducteur présentant une structure de silicium-sur-isolant (SSI). Une structure SSI est constituée typiquement par une première couche de silicium et une seconde couche de silicium séparées par une couche d'oxyde de silicium. Dans une première forme de structure SSI, un film de silicium monocristallin est formé sur un substrat de silicium sur la surface duquel est déposé un film isolant d'oxyde de silicium. Dans une seconde forme de structure, un film d'oxyde de silicium est formé à une petite profondeur par rapport à la surface d'un substrat de silicium monocristallin. Dans une troisième forme de structure SSI, une plaque de silicium monocristallin est fixée par thermocompression à un substrat présentant un film d'oxyde de silicium sur sa surface. Le principal avantage de la technologie SSI est qu'elle présente une consommation de puissance réduite comparativement aux technologies connues. Une tendance en microélectronique VLSI ces quelques dernières années, a été d'incorporer des circuits intégrés présentant une complexité encore plus grande et même une consommation de puissance encore plus grande. Une consommation de puissance augmentée peut imposer de sérieuses limitations à l'utilisation des circuits intégrés, par exemple dans des applications de portables. Même si la tendance ces dernières années a été d'utiliser la technologie silicium-oxyde-métal complémentaire (CMOS) à faible consommation de puissance, sur du silicium en masse, combinée à des techniques de gestion de puissance, la consommation de puissance reste un point important. La technologie SSI offre une réduction supplémentaire de consommation de puissance et, pour cette raison, constitue une technologie intéressante pour le courant principal futur des produits VLSI. Dans les applications radiofréquences, et en particulier dans les communications mobiles, la technologie bipolaire est prédomi- nante du fait de sa capacité à fonctionner à hautes fréquences. Dans ces applications, la consommation de puissance peut être relativement élevée. Là encore, la technologie SSI offre une réduction de consommation de puissance et, pour cette raison, constitue une technologie intéressante pour les produits de communications mobiles du futur. La technologie SSI offre des améliorations de surface de jonction, de fuites, d'isolation et de capacité, en conduisant ainsi à une consommation de puissance réduite comparativement aux dispositifs en masse. Malheureusement, la technologie SSI n'est pas sans inconvénients. Ainsi, la présence d'un oxyde noyé réduit la conductibilité thermique vers le substrat. Par suite, la dissipation de chaleur est réduite et cela peut limiter les performances de fonctionnement du dispositif concerné, en particulier dans des applications où la manipulation de courant est importante. Là où la technologie SSI est utilisée dans des produits VLSI, chacun des dispositifs semi-conducteurs formant un tel produit nécessite une isolation. Une forme d'isolation courante, à la fois dans la technologue en masse et dans la technologie SSI, est celle de l'isolation par tranchées. Dans la technologie SSI, la combinaison de l'isolation par tranchées et de l'oxyde noyé conduit à des "bacs" électriquement isolés dans lesquels les dispositifs actifs sont formés. Pour obtenir une bonne isolation électrique, la profondeur de tranchée doit être égale à l'épaisseur de la couche supérieure, c'est à dire que la tranchée doit atteindre l'oxyde noyé. Un manquement à cette manière de procéder doit conduire à un chemin de fuites entre bacs. Une épaisseur de couche typique au-dessus de l'oxyde noyé est de l'ordre de 1 à 2 Vin, et la tranchée nécessaire est considérée comme "peu profonde". La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une forme d'isolation typique pour technologie SSI ; et - la figure 2 représente une partie d'un dispositif SSI de VLSI, selon l'invention. La figure 1 représente une partie d'un dispositif SSI de VLSI, le dispositif étant constitué d'un substrat de silicium 1, d'une couche d'oxyde de silicium (oxyde noyé) 2, et d'une couche de surface en silicium 3. Un certain nombre de tranchées 4 (dont deux seulement sont représentées) sont formées dans le dispositif, chaque tranchée étant cons- tituée par un revêtement intérieur diélectrique 4a et un remplissage de polysilicium 4b. Chaque paire de tranchées adjacentes 4 définit un bac 3a dans la couche de surface 3 en silicium. Un dispositif de semi-conducteur (non représenté) peut alors être formé dans chacun des bacs 3a. Les tranchées 4 donnent une bonne isolation électrique pour chacun des bacs 3a. Malheureusement, la bonne isolation électrique des bacs 3a s'accompagne d'une bonne isolation thermique, de sorte que, comme indiqué ci-dessus, cela conduit à une réduction de la dissipation de chaleur et éventuellement à une limitation des performances de fonctionnement des dispositifs concernés. Ce problème est particulièrement important dans les technologies bipolaires et CMOS bipolaires, mais le problème peut également apparaître dans des dispositifs CMOS à haute densité. Pour tenter de réduire l'isolation thermique, l'inclusion de piliers thermiquement conducteurs directement en contact avec le substrat, est prévue pour améliorer la dissipation de chaleur. De la même manière, le prolongement des tranchées juste dans la couche de substrat, et l'enlèvement des parties de base des revêtements intérieurs diélectriques pour que le matériau de remplissage de la tranchée vienne en contact avec la couche de substrat, sont prévus pour améliorer la dissipation de chaleur. Cependant, ces deux approches présentent plusieurs inconvénients. Dans le premier cas, il faut introduire un traitement supplémentaire pour fabriquer le pilier, ainsi que pour incorporer le pilier de façon qu'il ne connecte pas électriquement le dispositif avec le substrat. Dans le second cas, il faut introduire un traitement supplémentaire pour ne retirer que des parties spécifiques du matériau de revêtement intérieur diélectrique, sans endommager le revêtement intérieur restant. Les deux approches nécessitent un temps de traitement plus long, un traitement plus complexe et des coûts plus élevés. La présente invention crée un dispositif de semi-conducteur comprenant un substrat comportant une couche isolante formée sur la surface de celui-ci, une couche de matériau semi-conducteur placée sur la surface de la couche isolante, une tranchée partant de la surface de la couche de matériau semi-conducteur et passant à travers la couche isolante pour pénétrer dans le substrat, un revêtement intérieur isolant placé sur les parois latérales et sur la base de la tranchée, et un matériau de remplissage thermiquement conducteur à l'intérieur du revêtement isolant, caractérisé en ce que le revêtement intérieur isolant, le matériau de remplissage et la distance sur laquelle la tranchée pénètre dans le substrat, sont tels qu'ils favorisent l'écoulement de chaleur de la couche de matériau semi-conducteur vers le substrat, le revêtement intérieur isolant entourant complètement le matériau de remplissage là au moins où la tranchée pénètre dans le substrat, et la distance de pénétration étant d'au moins 1 f. Avantageusement, cette distance se situe dans la plage de 1 Wn à 5 fm et, de préférence, dans la plage de 3 pm à 5 ff. Dans un mode de réalisation préférentiel, on a deux tran- chées présentant chacune les caractéristiques définies ci-dessus, tandis qu'un dispositif actif est formé dans la couche de matériau semiconducteur entre les deux tranchées. Mieux encore, on a une pluralité de tranchées présentant chacune les caractéristiques définies ci-dessus, tandis qu'un dispositif actif respectif est formé dans la couche de matériau semi-conducteur entre chaque paire de tranchées adjacentes. De préférence, la couche de matériau semi-conducteur est une couche de silicium et, mieux encore, une couche de silicium de formation monocristalline. Avantageusement, le substrat est un substrat de silicium et la couche isolante est une couche d'oxyde de silicium. De préférence, le revêtement intérieur ou chaque revêtement intérieur est constitué par une couche extérieure d'oxyde de silicium et une couche intérieure de nitrure de silicium, tandis que la couche extérieure ou chaque couche extérieure d'oxyde de silicium présente une épaisseur d'essentiellement 1000 A , et que la couche ou chaque couche intérieure de nitrure de silicium présente une épaisseur d'essentiellement 300A . Commodément, le matériau de remplissage est du polysili- cium, tandis que la largeur de la tranchée ou de chaque tranchée est d'essentiellement 0,8 Mn. De préférence, l'épaisseur du revêtement intérieur ou de chaque revêtement intérieur est inférieur d'au moins un ordre de grandeur à l'épaisseur de la couche d'isolation. L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre d'exemple, en se référant à la figure 2 des dessins qui représente une partie d'un dispositif SSI de VLSI, réalisé selon l'invention. La figure 2 représente une partie d'un dispositif SSI de VLSI, ce dispositif étant constitué par un substrat de silicium 11, une couche d'oxyde de silicium (oxyde noyé) 12, et une couche de surface 13 constituée par une formation monocristalline de silicium. Une pluralité de tranchées 14 (dont deux seulement sont représentées) sont formées dans le dispositif, chaque tranchée étant constituée par un revêtement intérieur diélectrique 14a et un remplissage de polysilicium 14b. Chaque paire de tranchées 14 adjacentes définit un bac 13a dans la couche de surface 13 en silicium. Un dispositif de semi-conducteur (non représenté) peut ensuite être formé dans chacun des bacs 13a. Chacune des tranchées 14 est formée par gravure à sec d'une tranchée respective dans le dispositif, en partant de la surface supérieure de la couche 13. Un revêtement intérieur 14a est ensuite formé dans chacune des tranchées, chaque revêtement intérieur étant constitué par une couche d'oxyde de silicium de 1000A , qu'on a fait croître thermi- quement dans cette rainure, puis par une couche de nitrure de silicium de 300A déposée à l'intérieur de la couche d'oxyde. Le polysilicium est ensuite déposé dans chacun des revêtements intérieurs 14a pour terminer les tranchées 14. Chacune des tranchées 14 présente une largeur de 0,8 Vm, de sorte que chaque remplissage de polysilicium présente une largeur de 0,54 tun. En comparant les dispositifs représentés dans les figures 1 et 2, il apparaîtra clairement que les tranchées 14 sont beaucoup plus profondes que les tranchées 4. Ainsi, les tranchées 14 ont une profondeur de 7 0,5 fm, la couche de surface 13 (la même que la couche de surface 3 du dispositif de la figure 1) ayant une épaisseur de 2,5 Pm; et la couche d'oxyde noyée 12 (la même que la couche d'oxyde noyée 2 de la figure 1) ayant une épaisseur de 1 0,1 Vrn. Par suite, les tranchées 14 pénètrent dans le substrat 11 sur une distance de 3,0 fm. Cet ordre de grandeur de la pénétration des tranchées dans le substrat 11 est nécessaire pour s'assurer d'un transport de chaleur suffisant à travers les revêtements intérieurs diélectriques 14a. La conduction de chaleur vers le substrat 11 dépend de la profondeur et de la surface de chacune des tranchées 14 dans la zone du substrat. Le matériau de remplissage 14b et l'épaisseur des revêtements intérieurs 14a sont également des facteurs qui entrent dans le taux de conduction de chaleur vers le substrat. Comme le matériau de remplissage est important pour la dissipation de chaleur, le polysilicium est préférable à l'oxyde pour la réalisation de ce matériau, bien que d'autres matériaux (et de préférence des matériaux meilleurs conducteurs) puis- sent également être utilisés. Comme la chaleur doit être transportée à travers les revêtements intérieurs diélectriques 14a, l'épaisseur de ces revêtements doit être inférieure d'au moins un ordre de grandeur à l'épaisseur de la couche d'oxyde noyée 12. En pratique, chacune des tranchées 14 doit pénétrer dans le substrat 11 sur au moins 1 pm. lypiquement, on utilise une profondeur de pénétration dans le substrat 11 qui est comprise entre 3 U,m et 5 fm. Le dispositif de semi-conducteur pourrait être modifié d'un certain nombre de manières. Par exemple, le substrat 11 pourrait être réalisé dans un matériau autre que le silicium, tel que par exemple du saphir, la couche d'oxyde noyée 12 pourrait être une couche d'un autre matériau présentant de bonnes propriétés d'isolation, comme par exemple le nitrure de silicium, et la couche de surface monocristalline 13 pourrait être un alliage de silicium contenant jusqu'à environ 10 % de germanium par exemple. Comme indiqué ci-dessus, la profondeur et la surface de chacune des tranchées 14 dans la zone du substrat 11 sont importantes, et ces paramètres sont donnés ci-dessus pour le dispositif particulier représenté ici. II apparaîtra cependant que ces paramètres doivent varier pour différents dispositifs, mais on remarquera que, du fait de la bonne isolation thermique fournie par les revêtements intérieurs 14a, les tranchées 14 doivent toujours pénétrer sur une distance très importante dans la couche 11 du substrat, même lorsque l'épaisseur des revêtements intérieurs est de l'ordre décrit ci-dessus. Le dispositif de semi-conducteur selon l'invention est tel qu'il produise une bonne dissipation thermique entre un dispositif de semi-conducteur actif et le substrat d'une structure de SSI, en utilisant une tranchée gravée et remplie de silicium polycristallin. De plus, l'intégrité du revêtement intérieur diélectrique de la tranchée, qui est nécessaire pour assurer l'isolation électrique, est maintenu sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des étapes de traitement supplémentaires quelconques en plus de celles nécessaires pour la fonction électrique. Le contrôle de la profondeur de pénétration de la tranchée dans le substrat de SSI, et donc le contrôle du rapport de surface tranchée/substrat de SSI, influence la dissipation thermique. REVENDICATIONS l') Dispositif de semi-conducteur comprenant un substrat (11) comportant une couche isolante (12) formée sur une surface de celui-ci, une couche de matériau semi-conducteur (13) placée sur la surface de la couche isolante (12), une tranchée (14) partant de la surface de la couche de matériau semi-conducteur (13) et passant à travers la couche isolante (12) pour pénétrer dans le substrat (11), un revêtement intérieur isolant (14a) placé sur les parois latérales et sur la base de la tranchée (14), et un matériau de remplissage thermiquement conducteur (14b) à l'intérieur du revêtement isolant (14a), caractérisé en ce que le revêtement intérieur isolant (14a), le matériau de remplissage (14b) et la distance sur laquelle la tranchée (14) pénètre dans le substrat (11), sont tels qu'ils favorisent l'écoulement de chaleur de la couche de matériau semi-conducteur (13) vers le substrat (11), le revêtement intérieur isolant (14a) entourant complètement le matériau de remplissage (14b) là au moins où la tranchée (14) pénètre dans le substrat, et la distance de pénétration étant d'au moins 1 pin. 2 ) Dispositif de semi-conducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la distance de pénétration se situe dans la plage de 1 Wn à 5 U.m. 3 ) Dispositif de semi-conducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance de pénétration se situe dans la plage de 3 [un à 5 @.rn. 4 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu' il comporte deux tranchées (14) présentant chacune les caractéristiques définies dans la revendication 1, et un dispositif actif est formé dans la couche de matériau semi-conducteur (13) entre les deux tranchées (14). 5 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu' il comporte une pluralité de tranchées (14) présentant chacune les caractéristiques définies dans la revendication 1, et un dispositif actif respectif est formé dans la couche de matériau semiconducteur (13) entre chaque paire de tranchées (14) adjacentes. 6 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche de matériau semi-conducteur (13) est une couche de silicium. 7 ) Dispositif de semi-conducteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de silicium (13) est de formation monocristalline. 8 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le substrat (11) est un substrat de silicium. 9 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la couche isolante (12) est une couche d'oxyde de silicium. 10 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le revêtement intérieur ou chaque revêtement intérieur (14a) est constitué d'une couche extérieure d'oxyde de silicium, et d'une couche intérieure de nitrure de silicium. 11 ) Dispositif de semi-conducteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que la couche ou chaque couche extérieure d'oxyde de silicium présente une épaisseur d'essentiellement 1000A , et la couche ou chaque couche intérieure de nitrure de silicium présente une épaisseur d'essentiellement 300A . 12 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le matériau de remplissage (14b) est du polysilicium. 13 ) Dispositif de semi-conducteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la largeur de la tranchée ou de chaque tranchée (14) est essentiellement de 0,8 Um. 14 ) Dispositif de semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement intérieur ou de chaque revêtement intérieur (14a) est inférieure d'au moins un ordre de grandeur à l'épaisseur de la couche isolante (12).