Brevet FR2922361A1 — publié le 20090417

Procédé de réalisation d'un dispositif à effet de champ à canal germanium sur isolant Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé de réalisation, par la technique SON, d'un dispositif à effet de champ comportant un canal en matériau semi- 10 conducteur sur une couche en matériau isolant, le dispositif étant entouré par des tranchées d'isolation latérale, procédé comportant la réalisation d'une couche en silicium séparée d'un substrat par au moins une couche en matériau diélectrique. 15 État de la technique Avec la réduction continue de leurs dimensions, les dispositifs actifs des circuits intégrés, comme les transistors, se heurtent à des phénomènes 20 physiques, qui se traduisent par des effets parasites sur les caractéristiques électriques principales des dispositifs, par exemple l'effet canal court. Afin de remédier à un certain nombre de ces écueils, différentes solutions sont envisagées. Les transistors de type SON (silicium sur rien ou � Silicon On Nothing � en anglais, parfois appelé SOI localisé) présentent une 25 architecture proche du substrat sur isolant, mais limitée seulement à la zone active du transistor. Ces dispositifs permettent d'améliorer les performances électriques au prix d'un processus de fabrication spécifique pour les transistors SOI localisés. 30 Avec la réduction continue des dimensions géométriques des dispositifs actifs, les dispositifs de type SON avec un canal silicium ne pourront pas5 nécessairement atteindre les performances requises pour les prochaines générations technologiques. Afin de pouvoir suivre l'évolution des performances électriques des prochaines générations technologiques, l'utilisation d'un canal en germanium présente de nombreux avantages. Le germanium tout comme le silicium est un matériau majeur de la microélectronique. Le germanium présente des propriétés de transport plus intéressantes que le silicium (mobilité des électrons x 2,5 et mobilité de trous x 4). Jusqu'à présent, le principal inconvénient lié à l'utilisation d'une 1 o technologie germanium est que son oxyde est instable et ne permet pas facilement la réalisation de transistors de type MOS. Grâce aux diélectriques à haute permittivité obtenus par dépôt, il est maintenant possible de réaliser de telles structures. Cependant, compte tenu de la différence de paramètre de maille entre le cristal de germanium et le cristal de silicium, il est très 15 difficile de faire croître un film de germanium pur sans défaut de croissance (par exemple des dislocations) sur un substrat de silicium. Pour pallier les problèmes de croissance cristalline, l'utilisation de la technique de condensation du germanium permet d'obtenir, sous certaines conditions, des films de germanium pur de très bonne qualité. Ces films de germanium pur, 20 ou avec une concentration atomique en germanium supérieure à 80%, complètement relaxés ou contraints, améliorent de façon considérable les performances électriques des dispositifs sur lesquels ils sont intégrés. La demande de brevet français 0602467, déposé le 21 mars 2006, décrit un 25 procédé de réalisation d'un transistor de type SON ayant un canal en germanium. Ce procédé réalise, en particulier, la condensation du canal en germanium à partir de sa face inférieure. Cependant, cela nécessite la formation par épitaxie sélective d'une multicouche constituée en Si/SiGe/Si/SiGe. Ce type de multicouche pose notamment des problèmes de 30 répétabilité du procédé de croissance des différentes couches de la multicouche ainsi que de gestion des contraintes mécaniques liées à l'incorporation de germanium. Objet de l'invention L'invention a pour but la réalisation de transistors d'un dispositif à effet de champ, notamment un transistor, SON, ayant un canal en germanium, qui soit facile à mettre en oeuvre. Selon l'invention ce but est atteint par le fait que le procédé comporte, successivement : la formation d'une couche monocristalline en alliage de silicium-germanium sur la couche en silicium, l'obtention d'une couche monocristalline en germanium, formant le canal, par enrichissement en germanium de la couche en silicium à partir de la couche monocristalline en alliage de silicium-germanium, l'enrichissement étant réalisé au moyen d'une oxydation thermique, laissant sur la couche monocristalline en germanium une couche à base d'oxyde de silicium, le dépôt d'une couche d'encapsulation en matériau diélectrique, encapsulant le dispositif, la libération de la face supérieure de la couche en oxyde de silicium et son élimination pour libérer la couche monocristalline en germanium servant de base à la formation du dispositif à effet de champ. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la 30 description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : les figures 1 à 8 représentent, de façon schématique, en coupe, les étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé selon 5 l'invention, les figures 9 et 10 représentent les étapes successives d'une variante de réalisation. 10 Description de modes de réalisation préférentiels de l'invention Le procédé est tout d'abord analogue à un procédé de réalisation connu pour la réalisation d'un dispositif à canal en silicium. Un tel procédé est notamment décrit dans l'article de Monfray et al. � SON (Silicon On Nothing) 15 technological CMOS Platform : Highly performent device and SRAM cells � IEDM Technical Digest pp635-638, 2004. Comme illustré sur la figure 1, le substrat 1 sur lequel va être réalisé le transistor comporte des tranchées d'isolation latérale 3 entourant une zone 20 active 2. Le substrat 1 est par exemple en silicium tandis que tranchées d'isolation latérale 3 sont avantageusement en oxyde de silicium. De manière classique, une couche sacrificielle 4 en alliage de silicium-germanium puis une couche 5 en silicium sont déposées sur le substrat 1, 25 dans la zone active 2. Les couches 4 et 5 sont monocristallines et sont avantageusement réalisées par épitaxie sélective. La concentration en germanium et l'épaisseur de la couche sacrificielle 4 sont choisies de telle sorte que l'énergie emmagasinée en son sein ne dépasse pas l'énergie critique à partir de laquelle il y a déformation plastique et création de 30 dislocations. De cette manière, la couche sacrificielle 4 ne présente pas de défaut de croissance significatif. Par exemple, une épaisseur comprise entre 10 et 30 nm est typiquement utilisée pour une concentration en germanium de l'ordre de 30%. Par ailleurs, la couche 5 en silicium monocristallin a typiquement une épaisseur de l'ordre de 20nm. De manière également avantageuse, la surface supérieure de la couche 5 est située à une altitude inférieure à celle des tranchées d'isolation latérale 3. Ainsi, lors de la croissance des couches 4 et 5 par épitaxie sélective, il n'y a pas apparition de facettes sur les bords des couches 4 et 5 en contact avec les tranchées d'isolation latérale 3. Un film 6 en matériau diélectrique, avantageusement formé par une bicouche de nitrure de silicium 6b déposée sur un oxyde silicium 6a, est déposé sur le substrat 1. Le film 6 en matériau diélectrique est alors structuré par tout moyen connu, par exemple par photolithographie et gravure. Avantageusement, une photolithographie de type grille est utilisée et un motif 7 en matériau diélectrique, formant une fausse grille (� dummy gate �), est situé sur la couche 5 en silicium et se prolonge (perpendiculairement au plan de la figure 1) sur les tranchées d'isolation latérale 3. Comme illustré sur la figure 2, les tranchées d'isolation latérale 3 sont ensuite partiellement éliminées de manière à abaisser la surface des tranchées d'isolation latérale 3 et permettre l'accès à la couche 4 en alliage de silicium-germanium. Lors de l'élimination des tranchées d'isolation latérale 3, une attention particulière est apportée au fait que le motif 7 en matériau diélectrique reste toujours en contact avec la tranchée d'isolation latérale 3 pour servir provisoirement de support mécanique à la zone active. L'élimination des tranchées d'isolation latérale 3 est avantageusement réalisée au moyen d'une gravure chimique, par exemple au moyen d'acide fluorhydrique.30 L'élimination sélective de la couche 4 en alliage de silicium-germanium est ensuite réalisée par tout moyen adapté, par exemple au moyen d'une gravure plasma ou par une gravure sous HCI gazeux. De cette manière, la couche 5 en silicium est séparée du substrat et maintenue au moyen du motif 7 en matériau diélectrique, qui repose lui-même sur les tranchées d'isolation latérale 3. Comme illustré sur la figure 3, une couche 8a, en oxyde silicium, formée thermiquement sur le substrat 1 et autour de la couche 5, est ensuite enrobée dans du nitrure de silicium 8b, formant ainsi un diélectrique 8 qui vient avantageusement remplir tout l'espace situé entre la couche 5 et le substrat 1 et enrobe la couche 5 en silicium monocristallin et une partie du motif 7. Le diélectrique 8 est ensuite structuré, par exemple par gravure plasma, pour libérer la face supérieure de la couche 5 et former des espaceurs 9, notamment sur les bords de la couche 5 en silicium. Le motif 7 en matériau diélectrique constituant la fausse grille est alors éliminé pendant ou après la structuration par tout moyen connu, par exemple par gravure plasma ou par gravure humide. Le procédé selon l'invention s'écarte ensuite du procédé connu de l'article précité de Monfray et al. Comme illustré à la figure 4, une couche 10 en alliage de silicium-germanium monocristallin est déposée sélectivement sur la couche 5 en silicium. La couche 10 est avantageusement déposée par épitaxie sélective. La concentration en germanium et l'épaisseur de ladite couche 10 sont choisies de telle sorte que l'énergie emmagasinée en son sein ne dépasse pas l'énergie critique à partir de laquelle il y a déformation plastique et création de dislocations. La couche 10 peut présenter, par exemple, une concentration en germanium de l'ordre de 35% et son épaisseur est typiquement de l'ordre de 30nm. Avantageusement, un film 11 en matériau diélectrique, avantageusement formé par une bicouche en nitrure de silicium 11 b déposée sur un oxyde silicium 11 a, est déposé puis structuré. Le film 11 forme alors des espaceurs latéraux qui bordent les parois latérales de la couche 10 et se superposent aux espaceurs 9. L'empilement formé par les couches 5 et 10 est donc entouré par les espaceurs ainsi formés, ce qui permet avantageusement de limiter la condensation latérale. Comme illustré à la figure 5, l'enrichissement en germanium de la couche 5 en silicium est réalisé par oxydation thermique de la couche 10 en alliage de silicium-germanium. De manière classique, au fur et à mesure que la couche 10 est oxydée, les atomes de germanium sont repoussés vers la couche 5. De cette manière, un film 12 à base d'oxyde de silicium est formé sur une couche 13 monocristalline en germanium qui remplace la couche 5 initiale et contient au moins 80% d'atomes de germanium. La couche 13, parallèle à la surface du substrat, est destinée à servir de base à la formation du dispositif à effet de champ, elle a, de préférence, une épaisseur comprise entre 10 et 15nm. Comme illustré à la figure 6, une couche d'encapsulation 14 en matériau isolant est déposée pour encapsuler la structure ainsi formée. De préférence, le dépôt de la couche 14 est réalisé à une température inférieure à 400°C afin d'éviter l'oxydation du germanium de la couche 13. L'épaisseur de la couche 14 est avantageusement choisie de manière à ce que sa surface supérieure au niveau des tranchées d'isolation 3 soit plus élevée que la face supérieure de la couche 12 en oxyde de silicium. La couche 14 est choisie parmi les matériaux qui présentent une sélectivité de gravure vis-à-vis du film 12. Avantageusement, la couche 14 est une résine planarisante ou en nitrure de silicium déposé de type SiN. Ainsi au moyen de cette architecture, qui utilise la topographie induite par la condensation du germanium, il est possible d'ouvrir de manière autoalignée, les zones où se trouve la couche 13. Comme illustré sur la figure 7, les faces supérieures de la couche 14 en matériau isolant et du film 12 à base d'oxyde de silicium sont alignés par tout moyen connu, par exemple au moyen d'un polissage mécano-chimique. Les faces supérieures du film d'oxyde de silicium 12 étant libérés, ce dernier est alors éliminé sélectivement par toute technique adaptée, par exemple avec de l'acide fluorhydrique. La couche 13 en germanium monocristallin est alors accessible (figure 8) de manière autoalignée et un dispositif à effet de champ (non représenté) ayant un canal en germanium constitué par la couche 13 peut alors être réalisé de manière classique. Dans une variante de réalisation, illustrée à la figure 9, après les étapes illustrée à la figure 6, la couche 14 en matériau isolant est aplanie, sans être totalement éliminée au-dessus de la zone active. Cette mise à plat est réalisée par toute technique adaptée et avantageusement au moyen d'un polissage mécano-chimique. Une gravure sélective et partielle de la couche 14 est ensuite réalisée, par exemple, par gravure humide ou par gravure plasma de façon à libérer au moins la face supérieure du film d'oxyde de silicium 12 (figure 10). L'élimination du film 12 et la formation du dispositif sont ensuite réalisées comme précédemment. Dans une autre variante de réalisation (non représentée), la couche 14 en matériau isolant est constituée par un empilement de couche. La couche 14 est par exemple constituée d'une première couche en nitrure de silicium (Si3N4), qui résiste à la désoxydation, sur laquelle est déposée une deuxième couche, plus épaisse, en matériau dit � planarisant � qui atténue les Revendications 1. Procédé de réalisation, par la technique SON, d'un dispositif à effet de champ comportant un canal en matériau semi-conducteur sur une couche en matériau isolant, le dispositif étant entouré par des tranchées d'isolation latérale (2), procédé comportant la réalisation d'une couche (5) en silicium séparé d'un substrat (1) par au moins une couche (8) en matériau diélectrique, procédé caractérisé en ce qu'il comporte, successivement : la formation d'une couche monocristalline (10) en alliage de silicium- germanium sur la couche (5) en silicium, l'obtention d'une couche (13) monocristalline en germanium, formant le canal, par enrichissement en germanium de la couche (5) en silicium à partir de la couche monocristalline (10) en alliage de silicium-germanium, l'enrichissement étant réalisé au moyen d'une oxydation thermique, laissant sur la couche (13) monocristalline en germanium une couche (12) à base d'oxyde de silicium, le dépôt d'une couche d'encapsulation (14) en matériau diélectrique, encapsulant le dispositif (2), la libération de la face supérieure de la couche (12) en oxyde de silicium et son élimination pour libérer la couche (13) monocristalline en germanium servant de base à la formation du dispositif à effet de champ. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la libération de la 25 face supérieure de la couche (12) à base d'oxyde de silicium comporte un polissage mécano-chimique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la libération de la face supérieure de la couche (12) à base d'oxyde de silicium 30 comporte une gravure chimique ou humide. 10 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte entre la formation de la couche (10) monocristalline en alliage de silicium-germanium et la formation de la couche (13) monocristalline en germanium, le dépôt et la structuration d'au moins un film (11) en matériau diélectrique additionnel formant des espaceurs latéraux pour un empilement formé par les couches en silicium (5) et en alliage de silicium-germanium (10). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche d'encapsulation (14) est en nitrure de silicium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche d'encapsulation (14) est en résine.15