Brevet FR2881875A1 — publié le 20060811

PROCEDE DE FORMATION DE TRANSISTORS MOS Domaine dei l'invention La présente invention concerne, de façon générale, la fabrication de transistors MOS dans un substrat semiconducteur. Plus particulièrement, la présente invention concerne la fabri- cation de transistors ayant une grille d'une longueur inférieure à 100 nm. Exposé de_l'art antérieur Certains transistors MOS comportent des poches plus fortement dopées d'un même premier type de conductivité que le substrat, à la surface desquelles sont formées des régions faiblement dopées (T,DD) du second type de conductivité et des régions de surface fortement dopées (HDD) du second type de conductivité. La présente invention sera exposée ci-après en rela-15 tion avec la formation d'un transistor MOS à canal N formé dans un substrat de silicium dopé de type P. La figure 1 illustre, en vue en coupe partielle et schématique, un transistor MOS à canal N à une étape intermédiaire de sa fabrication selon un procédé connu. Le procédé commence par la définition d'une grille G isolée de la surface du substrat 1 par un isolant mince 3. Le procédé se poursuit par la formation par implantation, à la surface du substrat, de régions faiblement dopées (LDD) 4 de type N, de part et d'autre de la grille G. Lors de cette implantation, la grille G sert de masque d'implantation. On forme également par implantation des poches 6 du même type de conductivité que le substrat 1. Les poches sont plus fortement dopées que le substrat, mais moins fortement que les régions 4. Les poches 6 sont formées entre les régions 4 et le substrat 1. Les poches sont généralement formées, comme l'illustre la figure 1, le long de toute la jonction entre le substrat et les régions 4, la grille G servant également de masque d'implantation. Les deux implantations successives des dopants des régions 4 et des poches 6 sont effectuées dans un ordre indifférent. On procède ensuite à un même recuit de diffusion pendant lequel les dopants des régions 4 et des poches 6 diffusent pour fournir la structure de la figure 1. Ce recuit peut être effectué à la fin du procédé de formation du transistor, après l'implantation (non représentée) de dopants de type N à la surface des régions 4 pour former des régions fortement dopées (HDD) de drain et de source. La figure 2 illustre schématiquement les profils de dopage de la structure de la figure 1 après le recuit de diffusion. L'axe des abscisses correspond à la direction horizontale X de la figure 1. Comme cela a été décrit précédemment, la région de canal 8 sous-jacente à la grille G présente un faible dopage de type P et est séparée des régions LDD 4 faiblement dopées de type N par des parties superficielles des poches 6 plus fortement dopées de type P que le substrat 1 mais moins fortement dopées que les régions 4. A titre d'exemple, le dopage du substrat 1, et de la région de canal 8, est de l'ordre de 1015 à 10-18 at. cm-3, le dopage en surface des régions 4 est de l'ordre de 1018 à 1020 at. cm-3 et le dopage des poches 6 est de 1016 à 1019 at.cm-3. Les poches 6 sont souvent utilisées dans des transis-35 tors à faible longueur de grille pour limiter les problèmes de commutation intempestive non contrôlée attribués à des effets dits de canaux courts. Ces effets de canaux courts sont dus à la diffusion des dopants des régions 4 sous la grille G. En effet, lors du recuit effectué pour obtenir des régions 4 d'une profon- Beur appropriée d, de l'ordre de 20 nm, les dopants diffusent également sous la grille G d'une longueur de diffusion W. En fonctionnement, en l'absence des poches 6, lors d'une polarisation des régions 4, il se crée entre les régions 4 et le substrat 1 des zones de charge d'espace. Ces zones de charge d'espace s'étendent majoritairement dans le substrat 1 plus faiblement dopé que les régions 4. Lorsque la grille G est étroite, les zones de charge d'espace s'étendent jusqu'à se recouvrir. On perd alors le contrôle d'établissement du canal par la grille. La présence des poches 6 plus fortement dopées de type P que le substrat 1 permet de limiter l'extension des zones de charge d'espace à ces poches. Cela permet de conserver dans le substrat 1 une zone de canal 8 commandée par la seule polarisation de la grille G. La figure 3 illustre schématiquement un type de dispo- sitif d'implantation connu 30 à sélection d'espèce dopante par déviation magnétique. Une cible est ionisée dans une source de cations IS. Le flux de cations sortant de la chambre IS est accéléré sous une différence de potentiel V. Le faisceau obtenu est colimaté par un diaphragme D et envoyé dans une chambre de déviation magnétique MAGDEV où est effectuée une discrimination en masse des cations. En effet, à partir d'une cible donnée on obtient de très nombreux cations. Par exemple pour un dopage de type P au moyen de bore, on utilise une source de trifluorure de bore BF3 qui fournit lors de l'ionisation des cations B+, BF+, BF2+ et B:E3+. Le circuit de déviation magnétique MAGDEV permet de sélectionner uniquement les cations B+ qui sont envoyés vers la plaquette 31 à implanter. Ainsi, fondamentalement, ce type de dispositif ne permet d'implanter qu'une seule espèce (atome ou molécule ionisé) et type de dopant. La figure 4 illustre schématiquement un autre type de dispositif d'implantation par plasma connu 40 généralement utilisé pour des implantations extrêmement fines. Dans le dispositif 40, un plasma 43 est créé au voisinage d'une plaquette 41. Le plasma 43 comporte, sous forme de cations qui peuvent être dispersés dans un gaz porteur inerte tel que de l'argon ou du xénon, une espèce à implanter. La plaquette est polarisée à une tension de référence négative Vs. Alors, les cations viennent s'implanter dans la plaquette 41. Le dispositif 40 permet d'effectuer des implantations à des énergies d'implantation réduites par rapport au dispositif 30. La profondeur de pénétration des cations dopants est alors réduite. Quel que soit le dispositif d'implantation 30 ou 40 utilisé, on effectue deux implantations successives de type N et de type P, dans un ordre indifférent, de façon à obtenir la structure de la figure 1 et les profils de diffusion illustrés en figure 2. Un inconvénient d'un tel procédé de formation d'un transistor MOS réside dans les temps élevés liés aux implanta- tions et les coûts d'utilisation de deux implanteurs séparés. La présente invention vise par conséquent à proposer un procédé de formation d'un transistor MOS dont les coûts sont réduits. Plus particulièrement, la présente invention vise à 25 proposer un tel procédé dans lequel le nombre d'étapes d'implantation soit réduit. Résumé de l'invention Pour atteindre ces objets et d'autres, la présente invention prévoit un procédé de formation, dans un substrat semiconducteur monocristallin d'un premier type conductivité, de régions de surface dopées du second type de conductivité et de régions plus profondes dopées du premier type de conductivité sous-jacentes auxdites régions de surface. L'invention prévoit l'étape consistant à polariser négativement le substrat placé au voisinage d'un plasma comportant sous forme de cations des dopants du premier type de conductivité et des dopants d'un second type de conductivité, les dopants du second type de conductivité ayant une masse atomique supérieure à celle des dopants du premier type de conductivité. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dopant du premier type de conductivité est le bore et le dopant du second type de conductivité est le phosphore, l'arsenic ou l'antimoine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 10 le dopant du premier type de conductivité est le phosphore et le dopant du second type de conductivité est l'indium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un potentiel de polarisation négative (Vs) du substrat est fixé en fonction de la profondeur d'implantation des dopants du pre- mier type de conductivité recherchée et les pressions partielles des dopants du premier et du second type de conductivité dans le plasma sont fixées en fonction des doses/concentrations recherchées et de la profondeur de la limite entre des régions de surface dopées du second type de conductivité et des régions profondes dopées du premier type de conductivité. Brève description des dessins 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 parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en coupe partielle et schéma-tique d'un transistor MOS à canal N à un état intermédiaire de sa fabrication; la figure 2 est un diagramme illustrant le profil de concentration de dopants à la surface de la figure 1; la figure 3 illustre schématiquement un dispositif d'implantation par déviation magnétique; la figure 4 illustre schématiquement un dispositif 35 d'implantation par plasma; et la figure 5 est un diagramme illustrant schématique-ment les profils de doses implantées selon la présente invention avant un recuit de diffusion. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Jusqu'à présent, lors d'une implantation, par le dispositif 30 de la figure 3 ou par le dispositif 40 de la figure 4, un seul dopant électriquement actif est implanté. Dans le cas du dispositif à plasma 40, le dopant ionisé peut être dilué dans un gaz neutre inerte, tel que de l'argon ou du xénon, qui peut être ionisé et implanté mais qui est électriquement neutre. De plus même si plusieurs cations, par exemple B+, BF+, BF2+ et BF3+, sont implantés, une seule espèce, le bore B est électriquement active. L'autre espèce F est électriquement neutre. La présente invention est basée sur la prise de conscience par les inventeurs que, contrairement à un préjugé général, un implanteur de type à plasma peut être utilisé pour implanter simultanément des dopants de types différents. Ceci permet de réduire les coûts de fabrication en formant simultané-ment les régions LDD et les poches de transistors MOS de dimensions réduites lors d'une même étape d'implantation réalisée dans un même implanteur à plasma. L'implantation est alors effectuée pour les deux types de dopants sous une même énergie fixée par la polarisation de la plaquette implantée. Toutefois, la vitesse à laquelle les cations frappent la plaquette dépend de leur masse et les cations lourds sont implantés moins profondément que des cations légers. Alors, pour réaliser lors d'une même implantation les régions LI:)D 4 et les poches 6 de la figure 1, on choisit les dopants de façon que les cations destinés à former la région 4 soient plus lourds que les cations destinés à former la région 6. En ce qui concerne les concentrations, c'est-à-dire les doses implantées, elles sont réglées par les proportions relatives des pressions partielles des dopants présents dans le plasma. Ainsi, pour obtenir des régions LDD 4 plus fortement dopées que les poches 6, on fixe la pression partielle du dopant des régions LDD à une valeur plus élevée que celle du dopant des poches. Par exemple, on règle les débits d'alimentation en gaz de la chambre à plasma de façon que le débit du dopant destiné à former des régions LDD soit environ vingt plus élevé que celui du dopant destiné à former des poches. A titre d'exemple, pour réaliser un transistor MOS à canal N, on utilise un plasma à base de pentafluorure d'arsenic AsF5 et de trifluorure de bore BF3. A partir du pentafluorure d'arsenic, on obtient majoritairement des cations AsF3+ et ASF4+ qui ont une masse moléculaire respective de 132 et 151. A partir du trifluorure de bore, on obtient majoritairement les cations B+, BF+ et BF2+ de masse moléculaire respective de 11, 30 et 49. Pour obtenir une différence de concentration d'un facteur 100 à la jonction, on réglera les débits de gaz de façon que le débit de pentafluorure d'arsenic soit environ vingt fois plus important que celui de trifluorure de bore. La figure 5 illustre schématiquement le profil des doses implantées d'arsenic en trait continu et de bore en traits pointillés. L'abscisse correspond à la direction verticale Y de la figure 1, en dehors de la région sous jacente à la grille G. L'arsenic étant plus lourd se concentre à la surface du substrat 1 et sa concentration décroît sensiblement linéairement. Le bore plus léger s'enfonce dans la structure. La profondeur Y pour laquelle la concentration de bore devient plus élevée que celle de l'arsenic dépend de sa concentration initiale dans le plasma. Cette profondeur correspond à la limite entre les régions 4 et les poches 6 de la figure 1. Ainsi, si la pression partielle du trifluorure de bore P(BF3) dans le plasma diminue. P1(BF3)>P2(BF3)> P3(BF3), alors la profondeur des poches 6 augmente (Yl Les inventeurs tirent avantageusement parti de ce qui était considéré jusqu'à présent conune des inconvénients de l'implantation par plasma, à savoir la non sélectivité des espèces implantées, et la faible énergie d'implantation. La non sélectivité permet une co-implantation. La faible énergie permet de limiter la profondeur d'implantation des régions LDD 4. Malgré la faible énergie, on parvient à implanter suffisamment profondément les poches 6 en utilisant un dopant léger. En outre la durée d'implantation est fortement réduite par rapport à celle d'une implantation ionique classique. Ceci réduit les coûts liés à la durée d'utilisation des matériels. Ceci s'ajoute à l'avantage de la coimplantation qui supprime le coût lié à l'utilisation de deux dispositifs d'implantation, chacun étant dédié à l'implantation d'un type de dopants. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à la réalisation de transistors à canal N par co-implantation d'arsenic et de bore. D'autres co-implantations peuvent être utilisées, pour autant que la masse du dopant de type N implanté en surface soit supérieure à celle du dopant de type P implanté dans les poches. A titre d'exemple, si le bore sous forme de trifluorure de bore est le dopant de type P, on pourra utiliser comme dopant de type N tant l'arsenic que le phosphore (P, masse atomique 31) sous forme de PF3, PF5, PH3 que l'antimoine (Sb, de masse atomique 122) sous forme de SbH3. De préférence, on utilisera l'antimoine qui est le plus lourd et par conséquent qui sera le mieux séparé du bore. Par ailleurs, la forme d'apport du dopant, c'est-à-dire la combinaison moléculaire de la cible ionisée et les cations correspondants, peuvent être quelconques, pour autant que les dopants de type de conductivité complémentaires que l'on cherche à implanter sont associés à une espèce électriquement neutre telle que le fluor. S'agissant d'un substrat de silicium, les dopants peuvent être également apportés sous forme de chlorure ou d'hydrure. Il est également possible de fabriquer des transistors MOS à canal P de faibles dimensions en utilisant une seule coimplantation selon la présente invention pour former des régions LDD de type P et des poches de type N. Par exemple, on utilise comme dopant de type P l'indium de masse atomique 114 et comme dopant de type N le phosphore. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'homme de l'art comprendra que seuls les éléments d'un transistor MOS nécessaires à la compréhension de la présente invention ont été décrits et représentés. L'homme de l'art saura compléter le procédé décrit précédemment pour obtenir la structure complète d'un transistor MOS. Ainsi, l'homme de l'art saura, par exemple, après la co-implantation selon la présente invention réaliser sur les parois latérales de la grille G des espaceurs, utiliser ces espaceurs et la grille comme masque d'implantation de régions fortement dopées (HDD) de source/drain, siliciurer les surfaces des régions HDD ainsi obtenues, et réaliser des contacts avec chacune des régions de source/drain et de grille. Par ailleurs, l'homme de l'art comprendra que la présente invention s'applique de façon générale à la formation simultanée dans un substrat semiconducteur de deux régions complémentaires superposées de types de conductivité opposés. L'homme de l'art saura choisir un dispositif 40 propre à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. Il s'agira, par exemple, d'un réacteur à plasma comportant une enceinte munie d'un fond sur lequel est placé un support ou suscepteur qui peut être isolé du fond et propre à recevoir une plaquette à implan- ter. Le plasma est créé par tout moyen, par exemple, par un champ radiofréquence et peut-être confiné par des champs électromagnétiques. Bien entendu, l'enceinte comprend des moyens d'introduction, de circulation et d'extraction de gaz et éventuellement des moyens de mise en température, par exemple de re- froidissement du support, ainsi que des moyens de polarisation. Le plasma s'étend alors dans toute l'enceinte et en tout cas au voisinage de la plaquette à implanter comme cela est représenté en figure 4. De plus, par substrat on désigne autant une tranche de silicium uniformément dopée, que des zones épitaxiées et/ou spécifiquement dopées par diffusion/implantation formées sur ou dans un substrat massif. De façon générale, bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre d'une filière de silicium elle 10 s'applique à toute filière de fabrication de circuits intégrés. REVENDICATIONS 1. Procédé de formation, dans un substrat semi-conducteur monocristallin (1) d'un premier type conductivité, de régions de surface (4) dopées du second type de conductivité et de régions plus profondes (6) dopées du premier type de conduc- tivité sous-jacentes auxdites régions de surface, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à polariser négativement le substrat placé au voisinage d'un plasma comportant sous forme de cations des dopants du premier type de conductivité et des dopants d'un second type de conductivité, les dopants du second type de conductivité ayant une masse atomique supérieure à celle des dopants du premier type de conductivité. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dopant du premier type de conductivité est le bore et le dopant du second type de conductivité est le phosphore, l'arsenic ou l'antimoine. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dopant du premier type de conductivité est le phosphore et le dopant du second type de conductivité est l'indium. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel un potentiel de polarisation négative (Vs) du substrat (1) est fixé en fonction de la profondeur d'implantation des dopants du premier type de conductivité recherchée et les pressions partielles des dopants du premier et du second type de conductivité dans le plasma sont fixées en fonction des doses/concentrations recherchées et de la profondeur (Y1, Y2, Y3) de la limite entre des régions de surface (4) dopées du second type de conductivité (N) et des régions profondes (6) dopées du premier type de conductivité (P). 5. Procédé de formation d'un transistor MOS compre- nant, dans un substrat semiconducteur monocristallin (1) d'un premier type conductivité (P), des régions de surface (4) faiblement dopées du second type de conductivité (N) formées dans des poches (6) plus fortement dopées du premier type de conductivité que le substrat mais fortement dopées que lesdites régions de surface, dans lequel les régions de surface et les poches sont formées simultanément par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.