Brevet FR2849269A1 — publié le 20040625

Domaine technique et art antérieur L'invention concerne le domaine de la réalisation de composants ou d'éléments semiconducteurs, en particulier à partir de composants ou éléments de type SOI (abréviation de Silicon on Insulator, 10 ou Silicium sur Isolant). Une structure SOI comporte une couche de silicium, dans laquelle se trouvent les composants proprement dits, et sous laquelle est réalisée une couche enterrée d'isolant, par exemple du dioxyde de silicium Cette dernière constitue une isolation vis-à-vis des courants 15 parasites et des charges provenant de particules ionisées Elle permet aussi une bonne isolation de composants voisins réalisés dans la même couche de silicium, et notamment une diminution sensible des capacités parasites entre de tels composants voisins Elle repose elle-même sur un substrat en silicium, qui joue le rôle de support mécanique. Dans certains cas ou certaines applications, on souhaite réaliser une ou plusieurs cavités dans un substrat en silicium ou en matériau semiconducteur. Par cavité, on entend un volume évidé surplombé par une couche de matériau semi-conducteur. Il y a actuellement en outre un besoin de composants ou d'éléments ou de structures présentant de telles cavités. Exposé de l'invention L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de réalisation d'une structure semiconductrice, comportant une couche superficielle de silicium, une couche enterrée d'isolant et un substrat, ledit procédé comportant les étapes suivantes: une étape d'implantation atomique à travers au moins une partie de la couche d'isolant, une étape de gravure de la couche d'isolant dans au moins une partie de cette couche traversée par l'implantation atomique. Une telle structure peut être réalisée à partir d'une structure S Ol. Selon l'invention, la vitesse de gravure de la couche d'isolant, après que celui-ci ait subi une implantation atomique, est plus importante que la vitesse de gravure d'un isolant vierge. L'invention permet donc de définir des régions ou des zones de la couche d'isolant ayant des vitesses de gravure différentes. L'implantation atomique peut être réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche d'isolant, ou à travers une partie seulement de cette couche, formant alors une partie supérieure d'isolant traversée par 15 les ions et une partie inférieure d'isolant non traversée par les ions. Au moins un trou peut être formé dans la couche superficielle de silicum, débouchant dans la couche d'isolant, par exemple à l'intérieur d'une zone traversée par l'implantation atomique, ou à la limite d'une zone traversée par l'implantation atomique et d'une zone non traversée par 20 I'implantation atomique, ou dans une zone de forme concave, convexe ou polygonale, et traversée par l'implantation atomique. Le matériau isolant peut être par exemple choisi parmi le dioxyde de silicium (Si O 2), le nitrure de silicium (Si 3 N 4), le diamant, le sapphire, I'oxyde de hafnium (Hf O 2), I'oxyde de zirconium (Zr O 2), 25 l'alumine (A 1203), I'oxyde de lanthane (La 203), I'oxyde d'ytterbium (Y 203). L'étape de gravure étant réalisée à l'aide d'un acide, mais peut aussi être une étape de gravure sèche ou humide. L'invention concerne également une structure semiconductrice, 30 comportant, dans un substrat de silicium: une couche superficielle de silicium, une couche isolante enterrée en un matériau isolant formé sous la couche superficielle de silicium, une zone d'implantation atomique, réalisée dans la couche 35 isolante ou sous cette couche isolante. La zone d'implantation atomique peut, par exemple, avoir dans un plan parallèle au plan moyen de ladite couche isolante enterrée une forme concave ou convexe ou encore être de forme polygonale Toute autre forme peut être réalisée. Une cavité peut être formée dans la couche d'isolant Par exemple, une partie au moins de ladite cavité est formée dans une portion de la couche d'isolant traversée par les ions de l'implantation atomique. Cette cavité peut être par exemple de forme cylindrique, ou semicylindrique D'autres formes peuvent être réalisées telles que des formes 10 ayant, selon un plan parallèle au plan moyen de la couche d'isolant, une section au moins partiellement elliptique et/ou au moins partiellement polygonale. Selon un autre aspect, ladite cavité comporte une première zone ayant un premier diamètre, ou une première dimension maximale ou 15 caractéristique, et une deuxième zone, ayant un deuxième diamètre, ou une deuxième dimension maximale ou caractéristique, différent(e) du premier. Ces première et deuxième zones peuvent être situées à des profondeurs moyennes différentes dans la couche d'isolant. L'invention a aussi pour objet une structure semiconductrice, comportant, dans un substrat de silicium: une couche de silicium superficiel, une couche isolante enterrée, en un matériau isolant, formée sous la couche superficielle de silicium, une cavité, formée dans la couche d'isolant, cette cavité comportant une première zone ayant un premier diamètre, ou une première dimension maximale ou caractéristique, et une deuxième zone, ayant un deuxième diamètre, ou une deuxième dimension maximale ou caractéristique, différent(e) du premier. Ces deux zones peuvent être situées à une même profondeur dans la couche d'isolant, ou à des profondeurs moyennes différentes dans la couche d'isolant. Brève description des figures la figure 1 représente un substrat SOI avec une implantation d'ions dans le substrat; les figures 2 A à 2 C représentent différentes étapes d'un procédé selon l'invention, les figures 3 A à 3 C représentent différentes vues de dessus de structures obtenues à l'aide d'un procédé selon l'invention. la figure 4 est une vue en perspective de la structure représentée en vue de dessus sur la figure 3 B les figures 5 et 6 représentent une vue en coupe et une vue en perspective d'une structure obtenue à l'aide d'un procédé selon l'invention. Description détaillée de modes réalisation de l'invention. La figure 1 représente schématiquement un substrat SOI dans lequel une implantation atomique a été réalisée. Une telle structure SOI comporte une couche 2 de silicium, de préférence monocristallin, dans laquelle peuvent être réalisés les 20 composants proprement dits, et sous laquelle est formée une couche enterrée 4 d'un isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. Cette couche isolante 4 constitue une isolation vis à vis des courants parasites et des charges provenant de particules ionisées Elle permet aussi une bonne isolation de composants voisins réalisés dans la 25 même couche de silicium 2, et notamment une diminution sensible des capacités parasites entre de tels composants voisins Elle repose ellemême sur un substrat 6 en un matériau choisi parmi les matériaux semiconducteurs, par exemple le silicium, qui joue le rôle de support mécanique. La couche superficielle de silicium a par exemple une épaisseur d'environ 10 à 500 nm ou à 1000 nm ou à 3000 nm, tandis que la couche d'isolant a par exemple une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de nm, par exemple comprise entre 100 nm ou 200 nm et 400 nm ou 500 nm. Ces épaisseurs, et notamment celle de la couche d'isolant, 35 peuvent varier. Selon l'invention, une implantation atomique de cette structure est réalisée par des espèces atomiques ou ioniques, par exemple des espèces hydrogène ou hélium, telles que H+ ou H 2 * ou He 2 +, à une profondeur située au moins dans la couche d'isolant, par exemple ou en5 dessous de la couche d'isolant Cette implantation d'espèces atomiques engendre des défauts dans la portion de cette couche qu'elle a traversée. Ainsi, sur la figure 1, le plan 18 représente le plan moyen dans lequel les ions ont été implantés: toute la matière située au-dessus de ce plan a été traversée par le flux d'ions de l'implantation atomique La 10 courbe 19, centrée sur ce plan, représente la répartition moyenne des ions dans le substrat 6 Dans cet exemple, le plan 18 est situé dans le substrat 6, mais il pourrait aussi se situer dans la couche 4, auquel cas seule une portion de l'isolant 4 aurait été traversée par le trajet des ions. Après implantation, la gravure de l'isolant enterré peut être 15 réalisée, par exemple à l'aide d'un acide tel que l'acide fluorhydrique HF introduit par un trou 22 (représenté en traits interrompus sur la figure 1) débouchant dans la couche d'isolant D'autres procédés de gravure peuvent être utilisés, avec les mêmes avantages, tels que par exemple la gravure sèche ou encore la gravure humide avec des composés fluorés. Les figures 2 A à 2 C représentent différentes étapes d'un procédé selon l'invention Partant d'une plaque 30 de type SOI, un masque d'implantation 32 définissant la zone à implanter est déposé (figure 2 A) La profondeur de l'isolant ou de l'oxyde enterré 36 définit celle de la cavité à créer La référence 34 désigne la couche de silicium 25 superficielle. L'implantation d'espèces atomiques est réalisée sur la plaque, à travers l'ouverture du masque (figure 2 B), le reste du masque protégeant le SOI de ces espèces L'énergie d'implantation peut être choisie afin d'avoir création d'une densité élevée d'espèces implantées soit dans la 30 couche d'isolant ou d'oxyde enterré, soit à une profondeur, mesurée à partir de la surface de la couche de silicum superficiel 34, située au-delà de cet isolant ou de cet oxyde enterré. Sur la figure 2 B, la portion de la couche d'isolant 36 située entre les limites 37 et 39 (correspondant aux bords de la fenêtre du masque 32) 35 a subi le passage des ions. Après élimination du masque d'implantation, un trou débouchant est réalisé au moyen des techniques de gravure classiques de la microélectronique (figure 2 C). Enfin, sous l'action de l'acide HF, une gravure sélective de 5 I'isolant ou de l'oxyde enterré est réalisée au travers de ce trou débouchant, pour amener à la formation de la cavité souhaitée 50. La figure 3 A représente une vue de dessus d'un substrat SOI dans lequel un procédé tel que celui décrit ci-dessus a été mis en oeuvre. Sur cette figure, comme sur les figures 3 B et 3 C, les zones 10 implantées et gravées sont en gris, les zones implantées et non gravées sont en traits hachurés, les zones non implantées sont en blanc. La référence 40 désigne la zone implantée de ce substrat, la zone non implantée étant désignée par la référence 41 Dans cette structure, le trou débouchant, pratiqué dans le substrat, est désigné par la 15 référence 42 et est localisé au coeur de la zone implantée 40. La gravure est réalisée progressivement dans la zone implantée et plus rapidement que dans une zone non implantée Par exemple, sur la figure 3 A, la référence 44 désigne le cylindre, ou la zone gravée, après une durée AT, la référence 46 la zone gravée après une 20 durée de 2 AT et la zone 48 la zone gravée après une durée de 3 AT. La figure 3 B correspond au cas d'un trou débouchant créé à la limite 57 de la zone implantée 50 et de la zone non implantée 51, situées toutes deux dans la couche d'isolant ou de dioxyde de silicium. La gravure progresse alors à la fois dans ces deux zones, 50, 25 51 Les vitesses de gravure dans ces deux zones sont cependant différentes l'une de l'autre Pour cette raison, la zone gravée 54 dans la zone implantée 50 est, après une durée AT, plus large que la zone correspondante 64 dans la région non implantée 51. De même, après une durée de 2 AT, la région gravée 56 est 30 plus large que la région gravée 66 et, après une durée 3 AT, la région 58 est plus large que la région 68. La figure 3 C correspond au cas d'un trou débouchant créé au centre d'une zone implantée de forme concave 60 située dans la zone 59 par ailleurs non implantée, ce qui permet ainsi de créer une cavité 69 de 35 forme carrée ou sensiblement carrée Là encore, les références 65, 67, 69, désignent les cavités obtenues au bout de durées respectives de AT, 2 AT, et 3 AT. La figure 4 représente en perspective le cas de la figure 3 B; les références 34, 36, 38 ayant la même signification que sur la figure 2 B Les 5 deux demi-cylindres 58 et 68 traversent la couche d'isolant 36, suivant une direction perpendiculaire au plan de cette couche et au plan de la couche superficielle de silicium 34. La figure 5 représente une structure SOI 70 dans laquelle la couche superficielle 72 de silicium et la couche d'isolant ou d'oxyde 74 ont 10 été traitées par le flux d'ions seulement jusqu'à une profondeur identifiée par la plan 76 (zone ou plan d'impantation des ions) Autrement dit, la couche d'isolant ou de dioxyde de silicium est divisée en une portion supérieure 78 qui a été traversée par le flux d'ions et une portion 80 non traversée par le flux d'ions La vitesse de gravure sera alors différente 15 dans ces deux zones, ce qui permet de réaliser des motifs gravés présentant des variations de section ou de diamètre suivant un axe perpendiculaire au plan 76 ou au plan de la couche 72 et de la couche 78. La figure 6 représente en perspective le résultat d'une gravure de la couche d'isolant 74 Dans la zone implantée 78, la zone gravée 88 20 est similaire à la zone gravée 58 de la figure 4, mais sur une épaisseur réduite par rapport à l'épaisseur totale de la couche 36 Dans la portion 80, il y a aussi gravure, mais à vitesse inférieure, d'o la zone gravée 90, située sous la zone 88 ou à une profondeur moyenne inférieure par rapport à la profondeur moyenne de la zone 88 Dans le plan de la couche 25 74, et de l'autre côté de la limite 97 de la zone implantée et de la zone non implantée, deux portions d'isolant, situées à deux profondeurs distinctes, sont aussi gravées (en regard de chacune des zones gravées 88 et 90), mais à une même vitesse car elles sont toutes deux dans une région non implantée Elles ont donc toutes deux le même diamètre ou la même 30 dimension et elles constituent la zone gravée 98. Il est ainsi possible de réaliser des zones gravées situées à des profondeurs, ou à des profondeurs moyennes, identiques ou différentes dans la couche d'isolant d'une structure SOI, ces profondeurs étant comptées à partir de la limite supérieure de la couche d'isolant, limite qui 35 est en contact avec la couche superficielle 34, 72 de silicum, ou à partir de la surface supérieure de la couche de siliicum superficiel. Selon un autre aspect, I'invention permet de définir dans une couche isolante telle que la couche 4 de la figure 1, des régions pour lesquelles les vitesses de gravure de cette couche sont différentes d'une région à l'autre La couche isolante présente alors au moins une première 5 et une deuxième région, ayant respectivement une première et une deuxième vitesses de gravure qui sont différentes l'une de l'autre. Selon encore un autre mode de réalisation, non représenté sur les figures, le point ou le lieu o commence la gravure peut être situé dans une zone non implantée, la gravure se propageant ensuite dans une zone 10 implantée à une vitesse différente de la gravure dans la zone non implantée. La combinaison des divers modes de réalisation évoqués cidessus permet de réaliser des zones gravées ayant des dimensions différentes suivant deux ou trois directions de l'espace Ainsi, dans le cas 15 de la figure 6, le diamètre ou la plus grande dimension ou la dimension caractéristique dans chaque portion ou zone gravée, ou la section de cette portion ou zone gravée, varie à la fois dans le plan de la couche 74, et suivant une direction perpendiculaire à ce plan. On peut ainsi réaliser, dans une couche d'isolant d'une 20 structure SOI, au moins deux zones gravées présentant un premier diamètre ou une première dimension maximale ou caractéristique, un deuxième diamètre, ou une deuxième dimension maximale, différent(e) du premier diamètre ou de la première dimension maximale ou caractéristique, et éventuellement situé(e)s à des profondeurs différentes 25 dans la couche d'isolant. L'une et/ou l'autre de ces zones peut être de section carrée (comme sur la figure 3 C) ou être cylindrique (figure 3 A) ou semicylindrique (figure 3 B) D'autres formes peuvent encore être réalisées, en fonction de la forme du masque choisi initialement pour l'implantation et du 30 point ou du lieu o commence la gravure dans la région implantée ou en dehors de celle-ci. On peut aussi réaliser une cavité ayant, dans un plan parallèle ou plan moyen de la couche d'isolant, une section elliptique ou polygonale, ou en partie elliptique et en partie polygonale. Par ailleurs, la zone d'implantation atomique peut être en fait de forme totalement quelconque, convexe, concave ou tout autre Cette forme de la zone d'implantation atomique est liée à la forme finale de la cavité souhaitée. Quel que soit le mode de réalisation envisagé, des composants électroniques, par exemple des transistors, peuvent ensuite être réalisés dans la couche superficielle 2, 34, 72 de silicium. La zone gravée dans la couche d'isolant permet par exemple de réaliser une portion conductrice d'un tel composant. Le matériau Si O 2 peut être utilisé en tant qu'isolant d'une structure SOI. L'invention s'applique cependant aussi à d'autres matériaux isolants, tels que par exemple le Si 3 N 4, le Si Ge, le diamant, ou le sapphire Elle s'applique également à tout matériau à coefficient K élevé, comme ceux décrits dans le MRS Bulletin, Mars 2002, Vol 27, No 3, dans un article intitulé " Alternative Gate Dielectrics for Microelectronics " ; de 15 tels matériaux sont par exemple l'oxyde de Haffnium (Hf O 2), ou l'oxyde de zirconium (Zr O 2), I'alumine (AI 203), ou encore le Y 203 (oxyde d'ytterbium). REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation d'une structure semiconductrice comportant une couche superficielle de silicium ( 2, 34,72), une couche enterrée d'isolant ( 4, 36, 74) et un substrat ( 6, 38, 82), ledit procédé comportant les étapes suivantes: une étape d'implantation atomique à travers au moins une 10 partie de la couche d'isolant, une étape de gravure de la couche d'isolant dans au moins une partie de cette couche traversée par l'implantation atomique. 2 Procédé selon la revendication 1, I'implantation atomique 15 étant réalisée à travers toute l'épaisseur de la couche d'isolant. 3 Procédé selon la revendication 1, I'implantation atomique étant réalisée à travers une partie seulement de l'épaisseur de la couche d'isolant. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, I'étape d'implantation étant une étape d'implantation d'ions hydrogène ou d'ions hélium. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant une étape de formation d'au moins un trou ( 40) dans la couche superficielle de silicum, débouchant dans la couche d'isolant. 6 Procédé selon la revendication 5, le trou débouchant à 30 I'intérieur d'une zone ( 40) traversée par l'implantation atomique. 7 Procédé selon la revendication 5, le trou débouchant à la limite d'une zone traversée par l'implantation atomique ( 50) et d'une zone non traversée par l'implantation atomique ( 51). 35 8 Procédé selon la revendication 5 ou 6, le trou débouchant dans une zone ( 60) de forme concave ou convexe et traversée par l'implantation atomique. 9 Procédé selon la revendication 5 ou 6, le trou débouchant dans une zone de forme polygonale et traversée par l'implantation. Procédé selon la revendication 5, le trou débouchant dans une zone non traversée par l'implantation atomique. 10 11 Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, le matériau isolant étant choisi parmi le dioxyde de silicium (Si O 2), le nitrure de silicium (Si 3 N 4), le diamant, le sapphire, I'oxyde de hafnium (Hf O 2), l'oxyde de zirconium (Zr O 2), I'alumine (AI 203), I'oxyde de lanthane 15 (La 203), I'oxyde d'ytterbium (Y 203). 12 Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, I'étape de gravure étant réalisée à l'aide d'un acide. 13 Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, I'étape de gravure étant une étape de gravure sèche ou humide. 14 Structure semiconductrice, comportant, dans un substrat de silicium: une couche superficielle de silicium ( 2, 34,72), une couche isolante enterrée ( 4, 36, 78) en un matériau isolant formé sous la couche superficielle de silicium, une zone d'implantation atomique ( 18) réalisée dans la couche isolante ou sous cette couche isolante. 30 Structure semiconductrice selon la revendication 14, la zone d'implantation atomique ayant une forme concave ou convexe ou polygonale dans un plan parallèle au plan moyen de ladite couche isolante enterrée. 16 Structure semiconductrice selon la revendication 14 ou 15, une cavité ( 50) étant formée dans la couche d'isolant. 17 Structure semiconductrice selon la revendication 16, une partie au moins de ladite cavité étant formée dans une portion de la couche d'isolant traversée par les ions de l'implantation atomique. 18 Structure semiconductrice selon la revendication 17, une 10 partie de ladite cavité étant formée dans une portion de la couche d'isolant non traversée par les ions de l'implantation atomique. 19 Structure semiconductrice selon l'une des revendications 16 à 18, ladite cavité étant de forme cylindrique, ou semi-cylindrique ou de 15 section carrée. Structure semiconductrice selon l'une des revendications 16 à 18, la cavité ayant, dans un plan parallèle au plan moyen de la couche d'isolant, une section elliptique ou polygonale ou en partie elliptique et en 20 partie polygonale. 21 Structure semiconductrice selon l'une des revendications 16 à 20, ladite cavité comportant une première zone ( 58, 88) ayant un premier diamètre, ou une première dimension maximale ou 25 caractéristique, et une deuxième zone ( 68, 90, 98), ayant un deuxième diamètre, ou une deuxième dimension maximale ou caractéristique, différent(e) du premier. 22 Structure semiconductrice selon la revendication 21, les 30 première et deuxième zones étant situées à des profondeurs moyennes différentes dans la couche d'isolant.