Brevet FR2849267A1 — publié le 20040625

FABRICATION D'UN CONDENSATEUR A CAPACITE ELEVEE La présente invention concerne la fabrication de condensateurs sous forme monolithique Plus particulièrement, la présente invention concerne la formation de condensateurs à capacité élevée sur un substrat de silicium. Pour accroître la capacité des condensateurs formés dans des puces de circuits intégrés, on a proposé d'utiliser des isolants de constante diélectrique très élevée En particulier, on cherche maintenant à utiliser des isolants obtenus à partir de matériaux ferroélectriques. La figure 1 illustre, en vue en coupe transversale partielle et schématique, la structure d'un condensateur classique utilisant un tel isolant. Une électrode inférieure BE est séparée d'un substrat semiconducteur 1 de silicium (Si) par une couche 2 d'oxyde de 15 silicium (Si O 2) d'une épaisseur de l'ordre de 1 pm L'électrode inférieure BE est constituée d'un matériau conducteur inerte, généralement une couche de platine (Pt) d'une épaisseur d'environ 100 nm Un isolant 3 à constante diélectrique élevée sépare l'électrode inférieure BE d'une électrode supérieure FE métal20 lique par exemple de platine, d'iridium ou de ruthénium L'isolant 3 est obtenu en déposant une couche d'environ 20 nm d'un matériau ferroélectrique tel que le Pb Zr 48 Ti 52 ultérieurement oxydé (PZTO) L'oxydation du matériau ferroélectrique est effectuée au moyen d'un recuit à des températures relativement élevées généralement de l'ordre de 600 C à 700 C. Un inconvénient de condensateurs décrits précédemment 5 réside dans leurs mauvais résultats à des tests de résistance aux contraintes mécaniques de type arrachage. Un autre inconvénient de tels condensateurs réside dans un taux élevé de dysfonctionnements électriques. La présente invention vise à proposer un procédé de 10 formation d'un condensateur sur un substrat semiconducteur qui pallie les inconvénients exposés précédemment. Pour atteindre cet objet, la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un condensateur sur un substrat de silicium monocristallin, comportant les étapes suivantes: 15 former une couche d'oxyde de silicium; déposer et oxyder complètement une couche de titane; déposer une couche de platine d'une épaisseur comprise entre 800 et 1200 A, destinée à constituer une première électrode du condensateur, le dépôt de platine étant effectué par 20 pulvérisation à une pression de 1,5 105 Pa et à une température comprise entre 360 et 600 C; procéder à un recuit sous atmosphère oxydante à une température comprise entre 650 et 800 C; déposer et oxyder une couche mince d'un matériau 25 ferroélectrique, destiné à constituer l'isolant inter-électrode du condensateur; et déposer une couche conductrice, destinée à constituer une seconde électrode du condensateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 30 le dépôt de la couche de titane est effectué par pulvérisation de façon à faire croître une épaisseur comprise entre 50 et 300 nm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pulvérisation est effectuée à une température de 100 C, à une 35 pression de 2,04 105 Pa. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau ferroélectrique est un alliage de plomb, zirconium et titane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau ferroélectrique est du Pb Zr 48 Ti 52. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes 10 parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe transversale, partielle et schématique de la structure d'un condensateur; les figures 2 A, 2 B et 2 C illustrent, en vue en coupe transversale partielle et schématique, différentes étapes d'un 15 procédé de formation d'un condensateur selon un mode de réalisation de la présente invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par des mêmes références aux différentes figures En outre, comme cela est habituel dans la représentation des circuits 20 intégrés, les figures ne sont pas tracées à l'échelle. La présente invention tire partie des études des inventeurs sur les origines des dysfonctionnements d'une structure classique Selon les inventeurs, les dysfonctionnements sont liés à l'oxydation à température élevée du matériau ferroélec25 trique qui provoque des défauts de conductivité dans la couche d'électrode ainsi que des défauts d'adhérence entre l'électrode et les couches isolantes sous-jacente et/ou superposée Ces défauts sont liés à la présence dans et sur l'électrode inférieure (BE, figure 1) d'îlots cristallins (hillocks) en 30 forme de pointes Ces îlots sont représentés en figure 1 par les triangles placés dans l'électrode inférieure BE L'apparition de tels îlots proviendrait du phénomène suivant Après un dépôt de platine par les procédés classiques l'électrode inférieure BE présente deux orientations cristallographiques, une orientation 35 majoritaire et une orientation minoritaire Chacun des réseaux majoritaire et minoritaire est contraint, en dilatation puis en relaxation par les conditions de température élevée, lors de l'étape d'oxydation du matériau ferroélectrique. Ces différences de dilatation/relaxation provoquent la formation des îlots. Les inventeurs ont également constaté que les dysfonctionnements sont encore accrus dans d'autres structures connues dans lesquelles le dépôt du platine est précédé du dépôt d'une couche mince métallique d'accrochage destinée à favoriser 10 l'adhérence de l'électrode BE La couche d'accrochage est alors constituée d'un métal ou d'un alliage métallique qui adhère facilement sur l'isolant sous-jacent et auquel adhère facilement le platine Selon les inventeurs l'accroissement des dysfonctionnements, tant en termes d'adhérence que de défauts de conduc15 tivité, proviendrait de la combinaison des deux phénomènes suivants, lors de l'oxydation du matériau ferroélectrique D'une part, la couche très mince d'accrochage s'oxyde Cette oxydation se traduit par la formation de protubérances à l'interface entre la couche 2 et l'électrode BE, du fait tant de la température 20 élevée que des différences de contrainte mécanique des matériaux superposés D'autre part, le ou les matériaux de la couche d'accrochage tendent, du fait de la température élevée, à diffuser dans l'ensemble de l'électrode BE, voire jusqu'à son interface avec la couche ferroélectrique en cours d'oxydation o ils forment 25 des inclusions Certaines des inclusions s'oxydent dans l'électrode BE, accentuant encore les défauts de conductivité D'autres inclusions restent conductrices et tendent à provoquer une déplétion locale qui conduit à des défauts de continuité de conductivité En outre, quand les inclusions non oxydées se 30 trouvent à proximité de l'une des deux interfaces avec une couche isolante, l'effet de déplétion provoque ou accentue un défaut d'adhérence. Au vu de ce qui précède, la présente invention vise à proposer un procédé de formation d'un condensateur qui permette 35 d'éliminer les formations des îlots cristallins, ainsi que des éventuelles protubérances ou inclusions métalliques oxydées ou non. Les figures 2 A-C illustrent, en vue en coupe transversale schématique et partielle, des étapes intermédiaires de 5 formation d'un condensateur selon un mode de réalisation de la présente invention. Comme l'illustre la figure 2 A, le procédé selon l'invention commence par la formation, sur un substrat 10 de silicium monocristallin (Si), d'une couche épaisse 11 d'oxyde de silicium 10 (Si O 2) d'une épaisseur de l'ordre du micromètre Ensuite, on dépose une couche 12 de titane (Ti) Le titane est déposé par pulvérisation sur une épaisseur comprise entre 5 et 50 nm, de préférence de l'ordre de 20 nm Le titane est pulvérisé à une température de l'ordre de 100 C, sous une pression de 2 105 Pa 15 (environ 2 m Torr). Aux étapes suivantes, dont le résultat est illustré en figure 2 B, on oxyde complètement le titane de la couche 12 de façon à obtenir une couche de rutile (oxyde de titane, Ti O 2) De préférence, l'oxydation du titane est obtenue en procédant à un 20 recuit sous atmosphère oxydante à une température comprise entre 400 et 1000 C pendant une quinzaine de minutes. Ensuite, on dépose sur l'ensemble de la structure une couche 13 de platine (Pt) La couche 13, d'une épaisseur de 80 à 120 nm, est déposée par pulvérisation à une température comprise 25 entre 360 et 600 C, de préférence 400 C, à une pression de 1,5 105 Pa ( 1,5 m Torr) La structure ainsi obtenue, représentée en figure 2 B, est ensuite soumise à un recuit sous atmosphère oxydante Ce recuit, relativement long, de l'ordre de 30 à 75 minutes, est effectué à une température supérieure à 650 C et 30 inférieure à 800 C, de préférence de l'ordre de 700 C. Ensuite, comme l'illustre la figure 2 C, le procédé se poursuit par le dépôt et l'oxydation, par un recuit sous atmosphère oxydante entre 600 et 1000 C, d'un matériau ferroélectrique, par exemple le Pb Zr 48 Ti 52, de façon à former une couche 35 14 d'un diélectrique (PZTO) de faible épaisseur, comprise entre et 300 nm Enfin la structure est complétée par le dépôt d'un matériau conducteur tel que du platine, de l'iridium ou du ruthénium On a ainsi formé un condensateur constitué d'une électrode inférieure (BE) 13 de platine, d'un diélectrique 14 et d'une électrode supérieure (FE) 15. La séquence de formation de l'électrode inférieure (BE) 13 permet de réduire considérablement la quantité d'îlots par rapport à une structure classique En particulier, le recuit postérieur à la pulvérisation permet à la structure cristalline 10 de la couche 13 de se relâcher et de s'orienter exclusivement selon la direction . Le condensateur résultant présente avantageusement des performances aux tests d'arrachage et électriques meilleures que les dispositifs classiques. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art En particulier, on a considéré ci-après la formation d'un condensateur à l'aide d'un diélectrique interélectrode de type PZT Toutefois, la présente invention s'applique à la forma20 tion d'un condensateur comprenant un quelconque diélectrique obtenu par oxydation d'un matériau ferroélectrique déposé sur une électrode inférieure inerte de platine, tel que le PNZT, le PLZT, le SBT ou le BST. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un condensateur sur un substrat de silicium monocristallin ( 10), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: former une couche d'oxyde de silicium ( 11, Si O 2) ; déposer et oxyder complètement une couche de titane ( 12, Ti O 2) ; déposer une couche de platine ( 13, Pt) d'une épaisseur comprise entre 800 et 1200 A, destinée à constituer une première électrode du condensateur, le dépôt de platine étant effectué 10 par pulvérisation à une pression de 1,5 105 Pa et à une température comprise entre 360 et 600 C; procéder à un recuit sous atmosphère oxydante à une température comprise entre 650 et 800 C; déposer et oxyder une couche mince d'un matériau 15 ferroélectrique, destiné à constituer l'isolant inter- électrode ( 14, PZTO) du condensateur; et déposer une couche conductrice ( 15), destinée à constituer une seconde électrode (FE) du condensateur. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce 20 que le dépôt de la couche de titane ( 12, Ti) est effectué par pulvérisation de façon à faire croître une épaisseur comprise entre 50 et 300 nm. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pulvérisation est effectuée à une température de 100 C, à 25 une pression de 2,04 105 Pa. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau ferroélectrique est un alliage de plomb, zirconium et titane. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce 30 que le matériau ferroélectrique est du Pb Zr 48 Ti 52.