Brevet FR2924108A1 — publié le 20090529

Procédé d'élaboration, sur un matériau diélectrique, de nanofils en matériaux semi-conducteur connectant deux électrodes Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un procédé d'élaboration de nanofils connectant deux électrodes, les nanofils étant en matériau semi- conducteur 10 monocristallin, le procédé comportant successivement sur une couche en matériau diélectrique : la formation des électrodes, la croissance des nanofils, au moyen d'un catalyseur, entre les électrodes, parallèlement à la couche en matériau diélectrique. 15 État de la technique L'amélioration continue des performances des circuits microélectroniques 20 passe par une augmentation de la densité d'intégration des composants élémentaires des circuits. Jusqu'à présent, l'amélioration des performances a été réalisée par la miniaturisation continue des dimensions du transistor MOSFET. Les transistors sont maintenant de taille nanométrique et leur réalisation se heurte à de nombreuses difficultés technologiques. Les effets 25 quantiques au sein du transistor à effet de champ ne sont plus négligeables et les matériaux classiques de la microélectronique ne sont plus aptes à fournir des caractéristiques en adéquation avec les spécifications demandées. Des solutions alternatives sont donc proposées afin de continuer à améliorer les performances de circuits microélectroniques. 30 Une des voies les plus prometteuses consiste à utiliser des nano-objets et plus précisément des nanofils semiconducteurs. Les nanofils peuvent être utilisés pour former des canaux monocristallins de transistors de type MOS à effet de champ. Le document WO-A-2006/083310 décrit la réalisation de nanofils de silicium à partir d'un substrat de silicium sur isolant, par gravure par voie humide. Cette approche présente l'inconvénient, de nécessiter l'utilisation des procédés classiques de photolithographie pour définir les dimensions des nanofils et l'utilisation d'un substrat monocristallin de silicium pour obtenir des nanofils monocristallins Le brevet US 7208094B2 décrit la réalisation de ponts en silicium monocristallin entre deux électrodes en silicium. A partir d'un substrat de silicium sur isolant, deux électrodes en silicium sont formées de manière classique par photolithographie et gravure. Des agrégats de matériaux catalyseurs sont alors déposés sur une paroi verticale d'une des électrodes afin de permettre la croissance de nanofils de silicium horizontaux entre les parois verticales opposées des électrodes. Cette méthode nécessite la formation d'électrodes en silicium cristallin. Ces deux approches sont incompatibles avec l'intégration de circuits comportant plusieurs niveaux de transistors les uns au-dessus des autres. En effet, la formation d'une seconde couche en silicium monocristallin nécessite l'utilisation de procédés technologiques de recristallisation ou de report de couches ayant des budgets thermiques qui peuvent être incompatibles avec les transistors formés sur une première couche en silicium.30 Objet de l'invention L'invention a pour objet un procédé de réalisation de nanofils en matériau semi-conducteur facile à mettre en oeuvre et ayant un budget thermique limité. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les électrodes étant en matériau métallique, le catalyseur est constitué par une couche inférieure d'au moins une des électrodes, ladite couche inférieure étant directement en contact avec la couche en matériau diélectrique, de manière à ce que les nanofils formés soient en contact avec la couche en matériau diélectrique. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif et représenté schématiquement, en coupe, à la figure 1 (figure unique). 20 Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention Comme illustré sur la figure 1, deux électrodes 3 en matériau métallique sont 25 formées sur une couche en matériau diélectrique 2 d'un substrat 1. Les électrodes 3 présentent perpendiculairement au substrat 1, des faces latérales opposées, sensiblement parallèles (verticales sur la figure 1), entre lesquelles doivent être formés les nanofils. 30 La couche en matériau diélectrique 2 est, par exemple, choisie parmi les matériaux à base d'oxyde de silicium, les matériaux à base de nitrure de 315 silicium, les matériaux à base de HfO2 et les matériaux à base de AI2O3. Le substrat 1 est par exemple en silicium massif, mais il peut être en verre ou dans tout autre matériau pouvant supporter les étapes technologiques ultérieures. Si le substrat 1 est en matériau diélectrique, la couche 2 peut être intégrée dans le substrat 1. Le substrat 1 peut, par exemple, comporter des transistors formant des circuits intégrés encapsulés dans la couche en matériau diélectrique 2. Une couche en matériau catalyseur 4, en contact avec la couche en matériau diélectrique 2, est constituée par une couche inférieure d'au moins une des deux électrodes 3. La couche de catalyseur 4 est en matériau métallique, par exemple, choisi parmi Au, Al, Fe, Ti, PtSi, NiSi, Cu. Les électrodes 3 comportent avantageusement chacune une couche de contact 5, qui surmonte la couche inférieure en matériau catalyseur 4. La couche de contact 5 et la couche de catalyseur 4 sont réalisées dans des matériaux différents. La couche de contact 5 est de préférence en aluminium ou en cuivre. La couche de catalyseur 4 peut être déposée par toute technique adaptée, par exemple, par pulvérisation cathodique, évaporation ou dépôt chimique en phase vapeur. La localisation de la couche de catalyseur 4 peut être réalisée en même temps que la formation des électrodes ou après la formation des électrodes 3, par exemple, par photolithographie et gravure ou par décollement (� lift-off � en anglais). De manière classique, une couche de masquage (non représentée) peut être utilisée pour délimiter les électrodes 3, notamment les faces latérales opposées de leurs couches inférieures 4. La croissance des nanofils 6 est alors réalisée à partir du catalyseur 4 d'au moins une des électrodes 3, parallèlement à la couche en matériau diélectrique 2. La croissance des nanofils 6 monocristallins et en matériau semi-conducteur est réalisée, de manière classique, par toute technique adaptée, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur, épitaxie par jet moléculaire, jusqu'à ce qu'ils connectent à leur partie inférieure les faces opposées des deux électrodes 3. La couche inférieure en matériau catalyseur 4 étant en contact direct avec la couche en matériau diélectrique 2, les nanofils 6 ainsi formés sont en contact avec la couche en matériau diélectrique 2. ~o La présence de la couche en matériau diélectrique 2 au contact de la couche en matériau catalyseur 4 fait que le nanofil 6, lors de sa croissance, reste en contact avec la couche en matériau diélectrique 2. Ainsi, la croissance du nanofil est sensiblement horizontale sur la figure 1 au lieu d'avoir une croissance quasi-verticale comme dans les procédés selon l'art antérieur. 15 Cet inconvénient avait été contourné dans le brevet US7208094, en imposant à partir des électrodes en silicium cristallin, la structure cristalline des nanofils 6. L'épaisseur et la largeur des nanofils 6 sont liées à l'épaisseur et la largeur 20 de la couche de catalyseur 4, les nanofils 6 sont des cylindres dont le diamètre est égal à l'épaisseur de la couche en matériau catalyseur 4. Par ailleurs, pour former deux nanofils 6, il n'est pas nécessaire d'avoir sur une même électrode 3 deux surfaces libres en matériau catalyseur séparées par une surface non réactive. La largeur de la couche de catalyseur 4 contrôle le 25 nombre de nanofils 6 réalisé entre les électrodes. Il est alors possible de faire croître un nanofil 6 ou plus en modulant simplement la surface en regard des électrodes. L'article de M. Zacharias et al. � Semiconducttor Nanowires : From Self-30 Organization to Patterned Growth � Small Journal 2006, 2, No. 6, pp700-717 décrit différents matériaux pouvant être utilisés pour la croissance des nanofils et les techniques correspondantes. De préférence, les nanofils 6 sont en silicium, en germanium ou en un alliage de ces matériaux. Si les nanofils sont en silicium, leur croissance est préférentiellement réalisée par dépôt chimique en phase vapeur, par exemple, à une température de 400°C, sous une pression de 20mbar et avec des débits de silane (SiH4) et d'hydrogène (H2) respectivement de 50 sccm (centimètre cube standard par minute) et de 3,7 slm (litre standard par minute). Des nanofils 6 en matériau semi-conducteur non intentionnellement dopé peuvent être réalisés. Ces nanofils peuvent, par la suite, être dopés par les techniques d'implantations classiques. Cependant, il est également possible en modifiant les conditions de croissance, de former des nanofils 6 dopés de type p ou de type n et des nanofils présentant un type de dopage puis l'autre voire une alternance de ces dopages sur un même nanofil 6. Différentes architectures d'électrodes 3 sont possibles. La croissance des nanofils 6 peut être réalisée à partir d'une seule face latérale de l'électrode 3. Cependant, elle peut être réalisée à partir de plusieurs faces latérales libres d'une électrode 3 afin de connecter cette électrode 3 à une pluralité d'autres électrodes. Il est alors possible dans une variante de réalisation de former plus de deux électrodes, par exemple 3 électrodes qui sont reliées entre elles, par des nanofils 6, selon un schéma prédéfini. La croissance des nanofils 6 peut être réalisée à partir de plusieurs faces latérales d'une des électrodes 3, respectivement opposées à une face d'une autre électrode.30 Le procédé d'élaboration de nanofils 6 décrit ci dessus peut avantageusement être utilisé pour la réalisation de transistors à effet de champ, dans lesquels les électrodes 3 constituent les électrodes de source et de drain, le nanofil 6 formant le canal du transistor sur la couche de matériau isolant 2. L'électrode de grille est réalisée de manière classique par la suite au-dessus du canal constitué par le nanofil 6. Ainsi, il est possible de réaliser, sur un isolant, des transistors ayant un canal en matériau semi-conducteur monocristallin obtenu par croissance localisée directe et sans contact cristallin continu avec un substrat cristallin ou sans utilisation de report de couche cristalline. Il est alors possible de réaliser des transistors, des architectures logiques ou des mémoires volatiles ou non, au-dessus d'une structure contenant déjà des transistors qui ont été encapsulés par une couche en matériau diélectrique. Cette technique est alors particulièrement avantageuse pour réaliser des architectures dites 3D comprenant plusieurs niveaux de transistors disposés les uns au-dessus des autres et classiquement séparés par une couche en matériau diélectrique. 20 Revendications 1. Procédé d'élaboration de nanofils (6) connectant deux électrodes (3), les nanofils (6) étant en matériau semi-conducteur monocristallin, le procédé comportant successivement sur une couche en matériau diélectrique (2) : la formation des électrodes (3), la croissance des nanofils (6), au moyen d'un catalyseur (4), entre les électrodes (3), parallèlement à la couche en matériau diélectrique (2) procédé caractérisé en ce que les électrodes (3) étant en matériau métallique, le catalyseur (4) est constitué par une couche inférieure d'au moins une des électrodes (3), ladite couche inférieure étant directement en contact avec la couche en matériau diélectrique (2), de manière à ce que les nanofils (6) formés soient en contact avec la couche en matériau diélectrique (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode (3) comporte une couche de contact (5) surmontant la couche inférieure en matériau catalyseur (4). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le matériau catalyseur est choisi parmi Au, Al, Fe, Ti, PtSi, NiSi, Cu. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que la 25 couche inférieure en matériau catalyseur (4) et la couche de contact (5) sont réalisées dans des matériaux différents. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de contact (5) est en aluminium ou en cuivre. 8 30 5 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche en matériau diélectrique (2) est choisie parmi les matériaux à base d'oxyde de silicium, les matériau à base de nitrure de silicium, les matériaux à base de HfO2 et les matériaux à base de AI2O3. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les nanofils (6) sont en silicium.