Brevet FR3006806A1 — publié le 20141212

B12570 - 12-GR1-0205 1 PROCÉDÉ DE FORMATION DE COMPOSANTS SUR UNE COUCHE DE SILICIUM- GERMANIUM Domaine La présente demande concerne le domaine de la micro-électronique et plus particulièrement la formation de composants électroniques de petites ou de très petites dimensions sur et 5 dans une couche de silicium-germanium ultra-fine posée sur un substrat isolant électrique. On désigne ici par composants de très petites dimensions des composants dont la plus petite dimension latérale est inférieure à 100 nanomètres, par exemple égale à 28 nm ou 14 nm et par couche ultra-fine une couche dont 10 l'épaisseur est inférieure à 10 nm. Etat de la technique Il s'avère préférable de former certains composants électroniques sur une couche de silicium-germanium plutôt que sur une couche de silicium. Notamment, dans le cas de circuits 15 CMOS, il s'avère souhaitable, notamment pour des composants de très petites dimensions, de former les transistors MOS à canal N sur du silicium et les transistors MOS à canal P sur du silicium-germanium. L'un des procédés actuellement couramment utilisés 20 pour former sur une même tranche de silicium des composants de type P sur silicium-germanium et des composants de type N sur B12570 - 12-GR1-0205 2 silicium va être décrit en relation avec les figures lA à 1C dans le cas particulier d'une structure de type silicium sur isolant ou SOI. La figure lA représente une couche de silicium mono- cristallin 1 formée sur une couche isolante 2, couramment de l'oxyde de silicium, souvent désigné dans la technique par l'appellation BOX (de l'anglais Buried OXide - oxyde enterré). La couche isolante 2 repose elle-même sur un support 3, couramment dans les technologies actuelles une plaquette de silicium. A l'étape illustrée en figure lB, on a formé sur la couche de silicium 1 une couche de silicium-germanium 5, Sii_xoGexO, c'est-à-dire contenant x0 % de germanium. A l'étape illustrée en figure 1C, on a mis en oeuvre un procédé de condensation par oxydation thermique. Il en résulte qu'une couche d'oxyde de silicium 7 se forme sur la surface supérieure de la structure et que le germanium se concentre dans une couche 9 intermédiaire entre les couches 2 et 7 pour constituer une couche de silicium-germanium de composition homogène Sil_xGex. La figure 2A représente la concentration en germanium, x en fonction de la profondeur Z dans les diverses couches illustrées en figure lB. Dans la couche 5 de silicium-germanium, la concentration en germanium est égale à x0. Cette concentration est nulle dans la couche de silicium 1 et dans la couche d'oxyde de silicium 2. La figure 2B représente la concentration en germanium, x en fonction de la profondeur Z dans les diverses couches illustrées en figure 1C. Dans la couche supérieure 7 en Si02, cette concentration est nulle. Elle est égale à xl dans la couche 9 et à 0 dans la couche isolante 2. Le rapport xl/x0 est égal au rapport des épaisseurs entre les couches 9 et 5 et dépend de la durée du recuit d'oxydation. La demanderesse a observé que, quand on réalise plusieurs transistors MOS à canal P sur la couche 9 (après avoir 35 enlevé la couche isolante 7), ces transistors ont des carac- B12570 - 12-GR1-0205 3 téristiques électriques (tensions de seuil et corrélativement courants) qui varient. Ceci pose des problèmes pratiques, en particulier dans le cadre de réalisation de circuits analogiques. Résumé La demanderesse a analysé les causes de cette disper- sion de tensions de seuil et propose ici des solutions à ce problème. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de fabrication de composants sur une couche de SOI revêtue d'une couche de silicium-germanium formée par dépôt épitaxial, dans lequel le bilan thermique des recuits réalisés après le dépôt épitaxial est tel que la concentration en germanium demeure plus élevée dans la couche de silicium-germanium que dans la couche de SOI. Selon un mode de réalisation, des transistors à canal N sont formés directement au-dessus de la couche de SOI et des transistors à canal P directement au-dessus de la couche de silicium-germanium sur SOI. Selon un mode de réalisation, l'épaisseur de la couche de silicium sur isolant est de l'ordre de 2 à 7 nm et l'épaisseur de la couche épitaxiale de silicium-germanium est de l'ordre de 3 à 7 nm. Brève description des dessins Ces 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 LA à 1C décrites précédemment illustrent 30 trois étapes successives de formation d'une couche de silicium-germanium sur SOI ; les figures 2A et 2B sont des courbes de concentration en germanium dans les structures des figures lB et 1C ; la figure 3 représente des transistors MOS formés sur 35 une couche de silicium-germanium ; B12570 - 12-GR1-0205 4 la figure 4 représente l'écart type des tensions de seuil pour diverses épaisseurs d'une couche de silicium-germanium formée par le processus des figures LA à 1C ; la figure 5 représente deux portions de couche de 5 silicium-germanium formées selon le procédé décrit ici ; les figures 6A, 6B, 6C représentent des concentrations x en germanium en fonction de la profondeur Z à différentes étapes de formation d'une structure du type de celle de la figure 5 ; 10 les figures 7A, 7B, 7C représentent des concentrations x en germanium en fonction de la profondeur Z à différentes étapes de formation d'une structure du type de celle de la figure 5 ; et la figure 8 représente l'écart type des tensions de 15 seuil pour des structures telles que décrites ici. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des circuits intégrés, les diverses figures ne sont pas tracées à 20 l'échelle. Description détaillée La figure 3 représente trois transistors MOS à canal P 11, 12 et 13 formés sur une couche de silicium-germanium 9 telle que celle obtenue à l'étape décrite en relation avec la figure 25 1C, après élimination de la couche de SiO2 supérieure 7. On a représenté la grille de chaque transistor MOS comme constituée d'une couche 14 d'un isolant, de préférence un isolant à forte constante diélectrique, revêtue d'une couche métallique 15 elle-même revêtue d'une couche de silicium polycristallin 16, la 30 grille étant entourée d'un ou plusieurs espaceurs 18. Les transistors sont séparés par des tranchées remplies d'isolant 19 qui traversent la couche de silicium-germanium 9. Dans les réalisations actuelles, la longueur de grille peut être inférieure à 30 nm. A cette échelle de dimensions, les défauts 35 de planéité de la couche de silicium sur isolant 1, qui se B12570 - 12-GR1-0205 répercutent sur la couche de silicium-germanium 5 puis sur la couche finale 9, sont tels que l'on peut considérer que l'épaisseur de silicium-germanium sous la grille de chaque transistor est susceptible de varier d'un transistor à l'autre. 5 On comprendra qu'il résulte de cette variation d'épaisseur également une variation de la teneur x en germanium dans le silicium-germanium. Les inventeurs ont calculé l'influence de cette variation d'épaisseur sur la tension de seuil des transistors. Le résultat de ces calculs effectués pour des transistors longs et avec une variabilité d'épaisseur donnée (mais également valable pour des transistors courts avec une variabilité améliorée) est illustré en figure 4 dans laquelle la courbe 40 indique la variation de l'écart type aVT en millivolts des tensions de seuil VT des transistors en fonction de l'épaisseur T de la couche de SiGe dans une plage d'épaisseurs de 4 à 14 nm. La courbe 42 indique l'écart type aVT en fonction des variations de concentration x qui sont, comme on l'a indiqué précédemment, corrélées avec les variations d'épaisseur. La courbe 44 est la résultante de ces deux effets. On notera que les deux effets ont des signes opposés. Quand l'épaisseur T diminue, la tension de seuil tend à augmenter et, parallèlement, quand l'épaisseur T diminue, la concentration en germanium x augmente et la tension de seuil tend à diminuer. Ainsi, la courbe 44 correspond sensiblement à la différence entre les courbes 40 et 42. Il est apparu que cette variation de tension de seuil pour les différents transistors formés sur la couche de silicium-germanium est inhérente au procédé de fabrication de la 30 couche de silicium-germanium décrit précédemment. On propose donc ici un nouveau procédé de formation de la couche de silicium-germanium qui permet de pallier à ces inconvénients. Comme l'illustre la figure 5, on part, comme cela a 35 été exposé précédemment, d'une couche 50 de silicium formée sur B12570 - 12-GR1-0205 6 un isolant 51, lui-même formé sur un support. L'isolant 51 est couramment de l'oxyde de silicium et le support 52 est couramment une plaquette de silicium. Sur la couche 50, on a formé par épitaxie une couche de silicium-germanium 54 de compo- sition Sii_xOGexo. Deux transistors 56 et 57 sont formés sur deux portions de la couche de SiGe 54. Les éléments de leurs grilles sont désignés par les mêmes références qu'en figure 3. On a représenté en exagérant les dimensions la couche 50 du transis- tor de gauche 56 comme moins épaisse que la couche 50 du transistor de droite 57. Le procédé d'épitaxie est tel que la couche de silicium-germanium 54 a une épaisseur constante. Sa surface supérieure reproduit bien entendu les irrégularités d'épaisseur de la couche de silicium 50 sous-jacente. Après l'épitaxie, on procède à un recuit tel que le germanium contenu dans la couche de silicium-germanium 54 ne diffuse que partiellement dans la couche de silicium 50. Les figures 6A, 6B et 6C illustrent la concentration x du germanium dans les diverses couches d'un transistor pour lequel la couche de silicium sous-jacente 50 a une épaisseur "minimale". Les figures 7A, 7B et 7C illustrent le cas où la couche de silicium a une épaisseur "maximale". On comprendra que les termes "minimal" et "maximal" correspondent aux fluctuations extrêmes d'épaisseur inhérentes à la fabrication de la couche de silicium 50. Pour mieux faire comprendre les phénomènes que l'on veut expliquer ici, les variations d'épaisseur ont été représentées très exagérées entre les figures 6 et les figures 7, comme à droite et à gauche de la figure 5. En pratique, l'épaisseur de la couche de silicium 50 est initialement de l'ordre de 10 nm et on prévoit ici de l'amincir par exemple par oxydation puis élimination de l'oxyde, pour qu'elle ait seulement une épaisseur de l'ordre de 2 à 7 nm, par exemple de 4 nm. Il est clair qu'après oxydation et élimination de l'oxyde, la couche de silicium conserve ses inégalités d'épaisseur. Celles-ci peuvent B12570 - 12-GR1-0205 7 être de l'ordre de 0,5 à 1,5 nm. Quant à la couche épitaxiée de silicium-germanium, elle a une épaisseur de l'ordre de 3 à 7 nm, par exemple de 4 nm. Les figures 6A et 7A. montrent que, initialement, avant 5 tout recuit, la couche de silicium-germanium a une concentration x0 en germanium. Les figures 6B et 7B représentent l'allure de la variation de x si on procède seulement à un recuit léger de la structure. La concentration en silicium baisse depuis la surface supérieure de la couche de silicium-germanium 54 jusqu'à 10 la surface inférieure de la couche de silicium 50. La concentration en germanium diminue moins dans la couche 54 dans le cas où la couche de silicium sur isolant 50 est mince (transistor 56) que dans le cas où elle est épaisse (transistor 57). Toutefois, cette variation est faible au niveau de la surface supérieure de 15 la couche 54. Les figures 6C et 7C illustrent, à titre de comparaison, le cas où on poursuit le recuit jusqu'à ce que le germanium se répartisse également dans la couche initiale de silicium-germanium et dans la couche initiale de silicium sur isolant. On 20 voit bien dans ce cas que la variation de concentration dans l'ensemble de la structure, et notamment au niveau de la couche de silicium-germanium 54 est beaucoup plus forte que si l'on ne procède qu'à des recuits partiels. En figure 8 les courbes 60, 62 et 64 correspondent aux 25 cas des figures 6C et 7C, c'est-à-dire que la concentration de germanium est complètement homogénéisée dans les couches initiales de silicium sur isolant 50 et de silicium-germanium épitaxié 54. La courbe 60 indique la variation de l'écart type aVT en millivolts en fonction de l'épaisseur T de la couche de 30 SiGe. La courbe 62 indique l'écart type aVT en fonction de la concentration x qui est, comme on l'a indiqué précédemment, corrélé avec les variations d'épaisseur. La courbe 64 illustre la résultante de ces deux effets. La courbe 64 correspond sensiblement à la différence entre les courbes 60 et 62. B12570 - 12-GR1-0205 8 En figure 8 les courbes 70, 72 et 74 correspondent au cas des figures 6B et 7B, c'est-à-dire que la concentration de germanium n'est pas homogénéisée dans les couches initiales de silicium sur isolant 50 et de silicium-germanium épitaxié 54. La courbe 70 représente l'écart type aVT en millivolts en fonction de l'épaisseur T. La courbe 72 représente l'écart type aVT en fonction de la concentration x. La courbe 74 illustre la résultante de ces deux effets. Les courbes de la figure 8 illustrent que le fait de prévoir seulement un recuit partiel pour se trouver dans la situation des figures 6B et 7B réduit considérablement l'écart type aVT des tensions de seuil VT des transistors formés sur la couche de silicium-germanium 54. Si on se place dans le cas des figures 6C et 7C, c'est-à-dire que la concentration de silicium-germanium est complètement homogénéisée dans les couches initiales de silicium sur isolant 50 et de silicium-germanium épitaxié 54, on trouve une courbe 60 d'écart type lié à l'épaisseur et une courbe 62 d'écart type lié à la concentration x en germanium qui sont sensiblement identiques aux courbes 40 et 42 de la figure 4. La résultante 64 est sensiblement identique à la résultante 44 illustrée en figure 4. Par contre, si on se place dans le cas illustré en figure 6B et 7B, les courbes 60, 62 et 64 deviennent respective- ment les courbes 70, 72 et 74. En d'autres termes, la courbe de valeur d'écart type des tensions de seuil en fonction de l'épaisseur ne varie sensiblement pas. Ceci signifie que la présence d'une couche faiblement dopée en germanium sous une couche plus fortement dopée est sans influence sur le fonction- nement. Par contre, la courbe d'écart type de la tension de seuil en fonction de la concentration en germanium de la couche épitaxiale initialement formée, diminue considérablement et devient très proche de la courbe de variation d'écart type en fonction de l'épaisseur. Etant donné que ces deux contributions à l'écart type se soustraient, la résultante 74 reste constam- B12570 - 12-GR1-0205 9 ment pratiquement nulle, c'est-à-dire que la tension de seuil des transistors MOS formés sur la couche épitaxiée de silicium-germanium devient pratiquement insensible aux variations d'épaisseurs inhérentes à la formation de la couche de silicium sur isolant. Ainsi, on propose ici de choisir toutes les étapes qui impliquent un traitement thermique de sorte qu'elles n'entraînent pas une diffusion trop importante du germanium d'une couche épitaxiée de silicium-germanium dans une couche de base de silicium sur isolant de sorte que la concentration en germanium demeure plus élevée dans la couche épitaxiée que dans la couche de SOI. En d'autres termes l'épaisseur de SOI sous l'épitaxie et le budget thermique subséquent sont ajustés de façon que la longueur de diffusion du Ge dans le Si soit de l'ordre de grandeur, à un facteur 3 près, de l'épaisseur du SOI avant épitaxie. En pratique, l'homme de métier saura, en fonction des épaisseurs choisies pour la couche de SOI et la couche de silicium-germanium, qui doivent par ailleurs être aussi faibles que possible pour optimiser le fonctionnement des transistors MOS, optimiser le bilan thermique total pour que la courbe de variation de l'écart type en fonction de l'épaisseur de silicium-germanium et la courbe de variation de l'écart type en fonction de la concentration de silicium-germanium soient aussi proches que possible. Ceci pourra être réalisé par l'utilisation de programmes de simulation bien connus. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de composants sur une couche de SOI (50) revêtue d'une couche de silicium-germanium (54) formée par dépôt épitaxial, dans lequel le bilan thermique des recuits réalisés après le dépôt épitaxial est tel que la concen- tration en germanium demeure plus élevée dans la couche épitaxiée que dans la couche de SOI. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel des transistors à canal N sont formés directement au-dessus de la couche de SOI et des transistors à canal P directement au-dessus 10 de la couche de silicium-germanium sur SOI. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'épaisseur de la couche (50) de SOI est de l'ordre de 2 à 7 nm et l'épaisseur de la couche épitaxiale (54) de silicium-germanium est de l'ordre de 3 à 7 nm.