Brevet FR2978602A1 — publié le 20130201

B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 1 PROCEDE DE DEPOT D'UNE COUCHE D'OXYDE DE SILICIUM DE MEME EPAISSEUR SUR DU SILICIUM ET SUR DU SILICIUM-GERMANIUM Domaine de l'invention La présente invention concerne le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium de même épaisseur sur des régions de silicium et des régions de silicium-germanium (SiGe) d'un même substrat. La présente invention concerne plus particulièrement le dépôt d'une couche d'oxyde de silicium constitutive de l'isolant de grille de transistors MOS à canal P sur du silicium-germanium et de transistors MOS à canal N sur du silicium. Exposé de l'art antérieur Dans des circuits intégrés, on fabrique généralement des transistors MOS de divers types, notamment des transistors MOS à faible tension de fonctionnement et des transistors MOS à forte tension de fonctionnement généralement destinés à être utilisés pour des étages de sortie des circuits intégrés. Pour les transistors MOS à forte tension de fonctionnement, on prévoit que l'isolant de grille comprend une couche d'oxyde de silicium ayant une épaisseur de l'ordre de 5 nm, alors que cette épaisseur n'est que de l'ordre de 2 nm pour les transistors MOS à faible tension de fonctionnement. Ainsi, pour former l'oxyde de silicium des transistors MOS à B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 2 forte tension de fonctionnement, on préfère utiliser des techniques de dépôt d'oxyde de silicium, alors que, pour les transistors MOS à faible tension de fonctionnement, l'oxyde de silicium est généralement formé par croissance thermique. Dans les technologies CMOS ("Complementary Metal-Oxyde-Semiconductor"), pour améliorer les caractéristiques des transistors MOS à canal P, une des solutions consiste à former les transistors MOS à canal P dans une couche de SiGe. Dans de telles technologies, on est amené à utiliser des techniques de dépôt pour former une couche d'oxyde de silicium au-dessus de silicium et au-dessus de silicium-germanium, notamment à cause de cinétiques d'oxydation différentes du Si et du SiGe et de ségrégation de Ge sur le front d'oxydation. Les figures 1A à 1C illustrent des étapes successives de formation d'un isolant de grille d'un transistor MOS à canal N et d'un transistor MOS à canal P, sur un même substrat, dans le cas de transistors MOS à forte tension de fonctionnement. La figure 1A est une vue en coupe d'une portion d'un substrat de silicium 1 dont seule la partie supérieure est représentée. Dans la partie supérieure du substrat de silicium 1, des zones d'isolement 3 délimitent les régions dans lesquelles on veut former des transistors. Les zones d'isolement 3 sont par exemple des tranchées étroites et peu profondes, remplies d'oxyde de silicium, communément désignées par l'acronyme d'origine anglo-saxonne STI ("Shallow Trench Isolation"). Dans la partie droite de la figure 1A, on a représenté une région 5 sur laquelle on veut former un transistor MOS à canal N, et dans la partie gauche une région 7 sur laquelle on veut former un transistor MOS à canal P. Dans la région 7, on a formé une couche de silicium-germanium 9 qui pénètre dans le substrat de silicium 1 et affleure au même niveau. La figure 1B illustre une étape de dépôt d'une couche d'oxyde de silicium au-dessus des régions de silicium et de silicium-germanium du substrat 1. Avant de déposer la couche B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 3 d'oxyde de silicium, un nettoyage chimique des surfaces supérieures des régions de Si et de SiGe est réalisé, par de l'acide fluorhydrique, puis par un bain oxydant, par exemple un mélange d'acide sulfurique et d'eau oxygénée (SPM, "Sulfuric Peroxide Mixture"). Le nettoyage chimique sert notamment à retirer d'éventuels contaminants présents à la surface du silicium et du silicium-germanium. Lors du nettoyage chimique, il se forme généralement une couche 11 d'oxyde de silicium, appelé oxyde chimique, d'épaisseur inférieure à 1 nm, au-dessus des régions de Si et de SiGe. Après le nettoyage chimique des surfaces supérieures des régions de Si et de SiGe, on dépose une couche d'oxyde de silicium 12 au-dessus de la couche d'oxyde chimique 11, par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD, "Law Pressure Chemical Vapor Deposition") ou à recuit rapide (RTCVD, "Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition"). La figure 1C illustre une étape de formation, au-dessus de la couche d'oxyde de silicium 12, d'un empilement 13 de couches de matériaux isolants, comprenant une ou plusieurs couches de nitrure de silicium et des matériaux à forte permittivité diélectrique. La formation de cet empilement, et notamment de la couche de nitrure de silicium, implique des étapes de recuit à des températures de l'ordre de 900 à 1000°C. La figure 2 est un graphique représentant, pour divers essais, en abscisses, des mesures (eSiO2/Si) de l'épaisseur, en angstrôms ou dizièmes de nanomètres, de la couche d'oxyde de silicium au-dessus des régions de silicium et en ordonnées, des mesures (eSiO2/SiGe) de l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium au-dessus des régions de silicium-germanium. Ces mesures ont été réalisées une fois que toutes les étapes de formation d'isolant et de recuit ont été effectuées, respectivement dans le cas où la couche d'oxyde de silicium 12 a été déposée par un procédé LPCVD et dans le cas d'un procédé RTCVD. On remarque sur la figure 2 que les épaisseurs d'oxyde 35 de silicium sur les régions de silicium-germanium sont plus B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 4 élevées que sur les régions de silicium. On remarque aussi que la différence d'épaisseur d'oxyde de silicium sur les régions de silicium et de silicium-germanium est plus élevée dans le cas où la couche d'oxyde de silicium 12 a été déposée par un procédé LPCVD que dans le cas d'un procédé RTCVD. Dans le cas d'une couche d'oxyde de silicium 12 déposée par un procédé RTCVD, la différence d'épaisseur d'oxyde de silicium sur les régions de silicium et de silicium-germanium est d'environ 0,2 nm, contre plus de 0,5 nm dans le cas d'un procédé LPCVD. On considère que ces différences d'épaisseur résultent pour partie de l'oxyde de silicium chimique initial et pour partie de l'oxyde de silicium déposé proprement dit. Les différences d'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium sur les régions de silicium des transistors MOS à canal N et sur les régions de silicium-germanium des transistors MOS à canal P posent problème, car il en résulte des différences de tenue en tension, de courants de fuite et de courant à l'état passant, plus généralement des différences de performances. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé permettant de déposer des épaisseurs d'oxyde de silicium sensiblement égales sur du silicium et sur du silicium-germanium. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé qui permette d'utiliser des techniques éprouvées de dépôt d'oxyde de silicium. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé qui soit simple à mettre en oeuvre. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel procédé qui ne requière pas de passage dans un équipement supplémentaire par rapport à un procédé classique de dépôt d'une couche d'oxyde de silicium sur un substrat comprenant des régions de silicium et des régions de silicium-germanium. B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un procédé permettant de former une couche très mince de silicium, constituée tout au plus de quelques monocouches atomiques, au-dessus de régions de 5 silicium-germanium d'un substrat. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de dépôt d'une couche d'oxyde de silicium sur un substrat comprenant une région de silicium et une région de silicium-germanium, comprenant les étapes suivantes : former une couche très mince de silicium d'une épaisseur de 0,1 à 1 nm au-dessus du silicium-germanium ; et déposer une couche d'oxyde de silicium sur le substrat. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dépôt de la couche d'oxyde de silicium est effectué par dépôt 15 chimique en phase vapeur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dépôt de la couche d'oxyde de silicium comprend une étape préalable de nettoyage chimique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 la région de silicium-germanium est constituée d'une couche mince dont la surface supérieure est sensiblement au même niveau que la surface supérieure du silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche très mince de silicium est formée dans une chambre 25 d'épitaxie préalablement utilisée pour la formation de la région de silicium-germanium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le procédé comprend les étapes suivantes : former la région de silicium-germanium en présence d'un précurseur de germanium et 30 d'un précurseur de silicium ; et cesser d'introduire le précurseur de germanium pour former la couche très mince de silicium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape b), on diminue la température. B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 6 Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape b), on cesse d'introduire le précurseur de silicium utilisé à l'étape a) et on introduit un précurseur de silicium comprenant plus d'espèces chlorées que le précurseur de silicium utilisé à l'étape a). Selon un mode de réalisation de la présente invention, à l'étape b), on ajoute du gaz HC1. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la température est comprise entre 550 et 650°C pendant l'étape de formation de la région de silicium-germanium puis est comprise entre 450 et 550°C pendant l'étape de formation de la couche très mince de silicium. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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 : les figures 1A à 1C, décrites précédemment, sont des vues en coupe illustrant des étapes successives de formation d'un isolant de grille d'un transistor MOS à canal N sur silicium et d'un transistor MOS à canal P sur silicium-germanium ; la figure 2, décrite précédemment, est un graphique illustrant les différences d'épaisseur d'une couche d'oxyde de silicium déposée simultanément sur du silicium et sur du silicium-germanium ; les figures 3A à 3D sont des vues en coupe illustrant des étapes successives de formation simultanée de la grille d'un transistor MOS à canal N sur silicium et d'un transistor MOS à canal P sur silicium-germanium ; et la figure 4 est un graphique illustrant un processus auto-limitatif utilisé pour former une couche très mince de silicium sur une couche de silicium-germanium. B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 7 Comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les figures 1A à 1C et 3A à 3D ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée Les figures 3A à 3D illustrent des étapes successives de formation de la grille d'un transistor MOS à canal N et d'un transistor MOS à canal P. La figure 3A est une vue en coupe schématique d'une portion d'un substrat 21, par exemple un substrat de silicium, comprenant des zones d'isolement 23 délimitant des régions dans lesquelles on veut former des transistors. Dans la partie droite de la figure 3A, on a représenté une région 25 sur laquelle on veut former un transistor MOS à canal N, et dans la partie gauche une région 27 sur laquelle on veut former un transistor MOS à canal P. On a masqué les régions 25, puis on a gravé le silicium du substrat 21 sur une certaine profondeur dans les régions 27. On a ensuite formé, au-dessus de la surface supérieure du substrat 21, dans les régions 27 qui ont été gravées, une couche de silicium-germanium 29 recouverte d'une couche très mince de silicium 30. L'épaisseur de la couche de SiGe est par exemple comprise entre 4 et 10 nm, par exemple de l'ordre de 6,5 nm. La proportion de germanium dans la couche de SiGe est par exemple comprise entre 20 et 40%. L'épaisseur de la couche très mince de silicium 30 recouvrant la couche de SiGe est de l'ordre de 0,1 à 1 nm, c'est-à-dire que la couche très mince de silicium est constituée tout au plus de quelques monocouches atomiques. Comme cela est représenté, on pourra ajuster la profondeur de l'évidement formé dans les régions 27 pour que, après formation de la couche de silicium-germanium 29 recouverte de la couche très mince de silicium, la surface supérieure de la couche de silicium-germanium ou de la couche très mince de silicium soit sensiblement au même niveau que la surface supérieure du silicium des régions 25. Comme l'illustre la figure 3B, une étape suivante 35 consiste à déposer une couche d'oxyde de silicium au-dessus des B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 8 régions de silicium-germanium recouvertes de la couche très mince de silicium et au-dessus des régions de silicium du substrat 21. Avant de déposer la couche d'oxyde de silicium, un nettoyage chimique des surfaces supérieures des régions de Si et de SiGe est réalisé, généralement par de l'acide fluorhydrique, puis par un bain oxydant, par exemple un mélange d'acide sulfurique et d'eau oxygénée (SPM, "Sulfuric Peroxide Mixture"). Lors du nettoyage chimique, il se forme généralement une couche très mince 31 d'oxyde de silicium, appelé oxyde chimique, d'épaisseur inférieure à 1 nm, au-dessus des régions de silicium et des régions de silicium-germanium recouvertes de la couche très mince de silicium. Après le nettoyage chimique des surfaces supérieures des régions de Si et de SiGe, on dépose une couche d'oxyde de silicium 32 au-dessus de la couche d'oxyde chimique 31, généralement par dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD, "Law Pressure Chemical Vapor Deposition") ou à recuit rapide (RTCVD, "Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition"). L'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium constituée de la couche d'oxyde de silicium chimique et de la couche d'oxyde de silicium déposée proprement dite est par exemple comprise entre 4 et 6 nm, par exemple 5 nm. Une étape suivante, illustrée en figure 3C, consiste à former successivement, au-dessus de la couche d'oxyde de silicium 32, diverses couches, par exemple un empilement 33 de couches de matériaux isolants, comprenant une ou plusieurs couches de nitrure de silicium et des matériaux à forte permittivité diélectrique, puis un empilement 35 de couches de matériaux conducteurs, comprenant au moins une couche d'un matériau métallique. La figure 3D illustre une étape de gravure des couches 31, 32, 33 et 35 pour définir les grilles 36 des transistors MOS à canal N et les grilles 37 des transistors MOS à canal P. Après l'étape de définition des grilles, on procède à des étapes ultérieures classiques de formation de transistors MOS, comprenant notamment généralement des étapes de formation B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 9 d'espaceurs suivies d'étapes d'implantation de zones de source et de drain, et une étape de prise de contact, avec éventuellement une étape intermédiaire de siliciuration des zones de source et de drain. Une variante d'un procédé du type décrit en relation avec les figures 3A à 3D consiste à utiliser, pour le nettoyage chimique des surfaces supérieures des régions de silicium et de silicium-germanium avant le dépôt de la couche d'oxyde de silicium 32, uniquement de l'acide fluorhydrique. Au cours d'un tel nettoyage chimique, il ne se forme pas de couche d'oxyde de silicium au-dessus des régions de silicium et des régions de silicium-germanium recouvertes de la couche très mince de silicium. Les demandeurs ont effectué des mesures d'épaisseur d'une couche d'oxyde de silicium déposée simultanément sur du silicium et sur du silicium-germanium sur lequel une couche très mince de silicium a été préalablement formée, pour différentes épaisseurs de la couche très mince de silicium. On constate que, avec une couche très mince de silicium de 0,3, 0,5, ou 0,8 nm d'épaisseur, on réduit l'écart d'épaisseur entre l'oxyde de silicium sur silicium et l'oxyde de silicium sur silicium-germanium à moins de 0,1 nm. Ainsi, un procédé du type décrit en relation avec les figures 3A à 3D permet de déposer des épaisseurs d'oxyde de silicium sensiblement égales sur du silicium et sur du silicium-germanium, par des techniques éprouvées de dépôt d'oxyde de silicium. De plus, la couche très mince de silicium recouvrant les régions de silicium-germanium étant constituée tout au plus de quelques monocouches atomiques, les avantages liés au silicium-germanium pour les transistors MOS à canal P sont conservés. Par ailleurs, on propose ici un procédé particulier de formation d'une couche très mince de silicium, constituée tout au plus de quelques monocouches atomiques, au-dessus de régions de silicium-germanium d'un substrat. B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 10 On propose de former la couche très mince de silicium dans une chambre d'épitaxie préalablement utilisée pour la formation des régions de silicium-germanium du substrat. Ainsi, dans une chambre d'épitaxie, on forme d'abord une couche de silicium-germanium sur du silicium, de préférence au-dessus d'une zone préalablement creusée d'un substrat de silicium. La croissance du silicium-germanium est effectuée en présence d'un précurseur de germanium, par exemple du germane (GeH4), et d'un précurseur de silicium, par exemple du silane (SiH4) ou du dichlorosilane (H2SiC12). La température du substrat pendant la formation de la couche de SiGe est par exemple comprise entre 550 et 650°C. Une fois la couche de SiGe formée, on cesse d'introduire le précurseur de germanium dans la chambre d'épitaxie. Une couche de silicium croît alors au-dessus de la couche de silicium-germanium. Cette croissance devient très lente dès que la couche de silicium atteint une épaisseur de l'ordre d'une monocouche atomique, et encore plus lente si la température du substrat est réduite, par exemple à une valeur comprise entre 450 et 550°C. Le processus est donc en quelque sorte auto-limitatif. Le processus utilisé est illustré en figure 4. La courbe 41 représente, en fonction de l'inverse de la température (1/T), la vitesse de croissance (vcr) de Si ou de SiGe sur du SiGe, et la courbe 42 la vitesse de croissance de Si sur du Si. Tout d'abord, on choisit une température de fonctionnement TSiGe propre à avoir une vitesse de croissance du SiGe, vSiGe, permettant une croissance suffisamment rapide de la couche de SiGe, par exemple une vitesse de croissance de l'ordre de 8 nm/min. Ceci correspond au point de fonctionnement 45 sur la courbe 41. Ensuite, on interrompt l'arrivée du précurseur de germanium. Une monocouche de silicium commence à croître et dès que cette monocouche de silicium recouvre entièrement la couche de silicium-germanium, on passe au point de fonctionnement 46 sur la courbe 42 qui caractérise la vitesse de croissance vSi de silicium sur du silicium. Cette vitesse de croissance vSi est B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 11 très inférieure à la vitesse de croissance vsiGe susmentionnée, par exemple de l'ordre de 0,1 nm/min. Etant donné que cette vitesse de croissance est très faible, on pourra arrêter le processus au bout d'un certain temps en étant sûr d'avoir une couche d'épaisseur peu variable d'un échantillon à un autre. Pour ralentir encore la vitesse de croissance de la couche très mince de silicium, on pourra, une fois la couche de SiGe obtenue, interrompre l'arrivée du précurseur de germanium et baisser la température. On passe alors du point de fonctionnement 45 au point de fonctionnement 47 sur la courbe 41 et la vitesse de croissance du silicium sur silicium-germanium vSil est de l'ordre de 1 nm/min. Comme précédemment, une fois que la couche de silicium-germanium est entièrement revêtue de silicium, on passe brutalement du point de fonctionnement 47 sur la courbe 41 au point de fonctionnement 48 sur la courbe 42, c'est-à-dire que la vitesse de croissance du silicium (maintenant sur silicium) vSi2 devient très basse, encore plus basse que pour le point de fonctionnement 46, par exemple de l'ordre de 0,01 nm/min. La régulation du procédé devient alors encore plus simple. Pour ralentir encore la vitesse de croissance du silicium après formation de la première monocouche de silicium, on pourra choisir des précurseurs de silicium différents pour la croissance de la couche de silicium-germanium puis ensuite pour la croissance de la couche très mince de silicium. Par exemple, si la couche de SiGe est obtenue alors que le précurseur de silicium est du silane, on pourra, une fois cette couche de SiGe obtenue, utiliser pour la croissance de la couche très mince de silicium un mélange de silane et de gaz HC1 ou du dichlorosilane. On pourra également utiliser un mélange de dichlorosilane et de gaz HC1 si la couche de SiGe est obtenue alors que le précurseur de silicium est du dichlorosilane. Un avantage du procédé décrit en relation avec les figures 3A à 3D est qu'il ne requiert pas de passage dans un B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 12 équipement supplémentaire pour former la couche très mince de silicium sur les régions de silicium-germanium du substrat. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le substrat 21 peut être constitué d'une couche mince de silicium formée sur une couche isolante, généralement elle-même formée sur un substrat de silicium, c'est-à-dire que le substrat 21 peut être un substrat dit SOI ("Silicon-On-Insulator" - silicium sur isolant). Dans ce cas, les zones d'isolement 23 rejoignent la couche isolante sous-jacente. Bien que l'on ait décrit ici un procédé de croissance d'une couche très mince de silicium sur du silicium-germanium dans le cadre particulier de la formation de transistors CMOS respectivement sur SiGe et sur Si, on comprendra que le procédé auto-limité de croissance d'une couche très mince de silicium sur du silicium-germanium pourra être utilisé dans d'autres applications. REVENDICATIONS1. Procédé de dépôt d'une couche d'oxyde de silicium (32) sur un substrat comprenant une région de silicium et une région de silicium-germanium, comprenant les étapes suivantes : former une couche très mince de silicium (30) d'une épaisseur de 0,1 à 1 nm au-dessus du silicium-germanium ; et déposer une couche d'oxyde de silicium (32) sur le substrat. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le dépôt de la couche d'oxyde de silicium (32) est effectué par 10 dépôt chimique en phase vapeur. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dépôt de la couche d'oxyde de silicium (32) comprend une étape préalable de nettoyage chimique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 15 à 3, dans lequel la région de silicium-germanium est constituée d'une couche mince (29) dont la surface supérieure est sensiblement au même niveau que la surface supérieure du silicium. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 4, dans lequel la couche très mince de silicium (30) est formée dans une chambre d'épitaxie préalablement utilisée pour la formation de la région de silicium-germanium. 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant les étapes suivantes : 25 a) former la région de silicium-germanium en présence d'un précurseur de germanium et d'un précurseur de silicium ; et b) cesser d'introduire le précurseur de germanium pour former la couche très mince de silicium (30). 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel, à 30 l'étape b), on diminue la température. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel, à l'étape b), on cesse d'introduire le précurseur de silicium utilisé à l'étape a) et on introduit un précurseur de silicium 5B11093 - 11-GR3CO-0318FR01 14 comprenant plus d'espèces chlorées que le précurseur de silicium utilisé à l'étape a). 9. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel, à l'étape b), on ajoute du gaz HC1. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la température est comprise entre 550 et 650°C pendant l'étape de formation de la région de silicium-germanium (29) puis est comprise entre 450 et 550°C pendant l'étape de formation de la couche très mince de silicium (30).