Brevet FR3018627A1 — publié le 20150918

Procédé de formation de régions métalliques de grilles différentes de transistors MOS L'invention concerne les circuits intégrés, en particulier la formation de régions métalliques de grilles de transistors MOS. Les grilles de transistor MOS peuvent être formées en déposant une couche de diélectrique sur un substrat semi-conducteur, et en recouvrant cette couche de diélectrique par un empilement de couches contenant une couche métallique. Des étapes de gravures sont ensuite mises en oeuvre pour délimiter les grilles des transistors dans l'empilement ainsi formé. La composition physico-chimique des régions métalliques de grille varient en fonction du type de conduction et de la tension de seuil souhaitée pour les transistors MOS. En d'autres termes, un transistor de type N et un transistor de type P comprennent des couches métalliques ayant des compositions physico-chimiques différentes. Actuellement la formation de ces grilles métalliques différentes comporte des étapes de dépôts de couches métalliques différentes associées à des étapes de gravure dans ces couches conduisant pour certaines d'entres elles à découvrir la couche de diélectrique sous-j acente. Or, un retrait d'une couche métallique avec arrêt sur une portion de couche de diélectrique de grille peut endommager cette couche de diélectrique de grille. Et une couche de diélectrique de grille endommagée peut conduire à des fuites électriques entre la région de grille d'un transistor et les régions sous-jacentes de ce transistor. Selon un mode de mise en oeuvre, il est proposé de former des régions métalliques différentes de grilles de transistor MOS sans endommager la couche de diélectrique de grille de ces transistors. Selon un aspect, il est proposé un procédé de formation d'au moins deux régions métalliques de grilles différentes d'au moins deux transistors MOS comprenant : a) une formation d'une couche métallique sur une couche de diélectrique de grille, b) une formation d'un masque dur métallique sur la couche métallique, le masque dur ayant une composition différente de celle de la couche métallique, recouvrant une première région de la couche métallique et laissant découverte une deuxième région de la couche métallique c) un recuit de diffusion de la structure obtenue à l'étape b) de façon à faire diffuser des atomes métalliques du masque dur dans la première région, et d) un retrait du masque dur, par exemple par voie chimique. Ainsi, la première région de la couche métallique est une région ayant une composition physico-chimique différente de celle de la deuxième région de la couche métallique, puisqu'elle comporte des atomes provenant du masque dur. La couche de diélectrique n'est par ailleurs pas découverte car elle reste toujours recouverte par la couche métallique qui la protège. On obtient donc au moins deux empilements de couches de diélectriques de grille et de couche métallique de grille ayant des compositions physico-chimiques désirées et différentes, dans lesquels la couche de diélectrique n'a pas été endommagée. Ceci conduit à l'obtention de deux transistors MOS différents dans lesquels le risque d'apparition de fuite à travers la grille est faible. Le recuit peut être un recuit thermique rapide au moyen d'un gaz comportant de l'azote. Un tel recuit permet de diffuser des atomes métal pour obtenir les caractéristiques électriques souhaitées. En outre, en utilisant un gaz comportant de l'azote, et en particulier un gaz qui ne comporte pas d'oxygène, on évite l'oxydation de la couche métallique de la deuxième région qui n'est pas protégée par le masque dur. On pourra par exemple utiliser de l'ammoniac (NH3) comme gaz. Les paramètres du recuit peuvent être choisis par l'homme du métier en fonction de l'application. En particulier, la durée et la température du recuit peuvent être choisies pour permettre une bonne diffusion du métal, en fonction notamment des matériaux utilisés qui ne diffusent pas tous de la même manière. Le recuit thermique rapide a préférentiellement une durée comprise entre 1 seconde et 5 minutes, et la température du recuit est préférentiellement comprise entre 400°C et 1200°C. La couche métallique peut comporter du nitrure de titane. Enfin, le masque dur peut comporter un métal choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le chrome, le manganèse, le molybdène, le tungstène, le tantale, le rhénium, le ruthénium, le cobalt, le nickel, le lanthane, ou un oxyde d'un métal dudit groupe ou un nitrure d'un métal dudit groupe. On peut noter que certains métaux, par exemple l'aluminium, sont particulièrement bien adaptés à la formation de transistors de type PMOS. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'étude de la description détaillée de modes de mise en oeuvre, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 6 illustrent schématiquement un procédé selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un empilement comportant un substrat SUB, une couche de diélectrique de grille GHK, et une couche métallique de grille GM qui a été formée de façon classique, par exemple par dépôt. Le substrat SUB peut être une plaque (« Wafer ») semiconductrice en silicium (substrat « bulk »), ou un substrat de silicium sur isolant (« SOI : Silicon On Insulator ») pour obtenir des transistors à canal complètement déserté (« FDSOI : Fully Depleted Silicon On Insulator »). Ainsi, certaines des étapes mises en oeuvre dans le procédé décrit ci-après sont des étapes dites « pleine plaque ». La couche de diélectrique de grille GHK peut comprendre une couche de dioxyde de silicium et une couche de matériau à forte constante diélectrique (« High K dielectric » en langue anglaise). Cette couche de diélectrique de grille GHK peut avoir une épaisseur comprise entre 10 et 30 Angstrôms, et c'est cette couche qu'il convient de protéger alors que sont mises en oeuvre des étapes de fabrication au dessus de cette couche. La couche métallique de grille GM peut comporter du nitrure de titane (TiN), et son épaisseur peut être de l'ordre de quelques Angstrôms à quelques dizaines d'Angstrôms, par exemple 50 Angstrôms. La couche métallique de grille peut en outre comporter du lanthane (La). C'est dans cette couche que l'on va former des régions métalliques ayant des caractéristiques différentes. Comme illustré sur la figure 2, on peut former, sur la couche métallique de grille GM, par exemple par un dépôt physique en phase vapeur (dépôt PVD), une couche de matériau métallique CM comprenant un autre matériau métallique que celui de la couche métallique de grille GM, par exemple de l'aluminium. Cette couche comporte des atomes destinés à être diffusés dans certaines régions de la couche métallique de grille GM. L'épaisseur de la couche de matériau CM peut être comprise entre 10 Angstrôms et 100 Angstrôms, par exemple 50 Angstrôms. Pour délimiter des régions dans lesquelles on va diffuser des atomes, on peut mettre en oeuvre une étape de photolithographie, comme illustré sur la figure 3 dans laquelle un masque de résine MR a été formé au dessus de la couche de matériau CM. La formation du masque de résine MR est suivie par une étape de gravure de la couche CM dans laquelle on retire les portions de la couche qui ne sont pas protégées par le masque de résine MR (figure 4). On obtient ainsi un masque dur métallique MM. L'étape de gravure peut être mise en oeuvre par gravure humide en utilisant de l'acide chlorhydrique (HC1). On peut noter que cette gravure est mise en oeuvre alors que la couche de diélectrique de grille GHK est bien protégée par la couche métallique de grille GM. On peut ensuite mettre en oeuvre une étape de recuit thermique rapide, comme indiqué sur la figure 5 par la référence RTR. Cette étape de recuit thermique rapide fait diffuser des atomes métalliques du masque dur dans la couche métallique de grille GM, et l'on obtient ainsi deux régions de la couche métallique de grille ayant des caractéristiques électriques différentes, à savoir : une première région de la couche métallique GM1 comportant dans cet exemple des atomes d'aluminium, et une deuxième région de la couche métallique GM2 ayant une composition inchangée par rapport à la couche métallique de grille CM. Selon une variante, l'étape de recuit thermique rapide peut être réalisée en présence d'ammoniac (NH3) ou de tout autre mélange gazeux apte à nitrurer la couche métallique de grille dans la deuxième région GM2 de la couche métallique GM. Augmenter la teneur en azote (N) de la couche métallique de grille permet d'obtenir, notamment dans le cas où elle comporte du nitrure de titane (TiN), un traitement qui la rend apte à servir de matériau de grille pour les transistors de type NMOS. On peut ensuite, comme illustré sur la figure 6, retirer le masque dur métallique MM sélectivement par rapport la couche métallique de grille GM, par exemple par voie chimique. Dans ces exemples, l'empilement comportant la couche de diélectrique de grille GHK et la première région de la couche métallique GM1 est particulièrement bien adapté pour former des grilles de transistors de type PMOS, tandis que l'empilement comportant la couche de diélectrique de grille GHK et la deuxième région de la couche métallique GM2 est particulièrement bien adapté pour former des grilles de transistor de type NMOS. Les empilements peuvent être complétés par exemple par une formation de silicium poly-cristallin sur la couche métallique. Il est ensuite possible de mettre en oeuvre des étapes de délimitation de grilles de transistors pour former d'une part des transistors NMOS dans l'empilement comportant la couche de diélectrique de grille GHK et la deuxième région de la couche métallique GM2, et d'autre part des transistors PMOS dans l'empilement comportant la couche de diélectrique de grille GHK et la première région de la couche métallique GM1. Selon un aspect, l'invention n'est pas limitée à la formation de transistors NMOS et PMOS, il est également possible de réaliser deux types de transistors NMOS ayant des caractéristiques électriques différentes. On pourra par exemple remplacer l'aluminium par du lanthane, et une couche métallique de grille comprenant du nitrure de titane, pour former deux transistors NMOS ayant des caractéristiques électriques différentes. Enfin, d'autres matériaux peuvent être utilisés pour la couche métallique, par exemple un métal choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le chrome, le manganèse, le molybdène, le tungstène, le tantale, le rhénium, le ruthénium, le cobalt, le nickel, le lanthane, ou un oxyde d'un métal dudit groupe ou un nitrure d'un métal dudit groupe. Selon un autre aspect, on obtient des transistors munis d'une couche diélectrique de grille qui n'est pas endommagée, puisqu'elle est toujours protégée.20 REVENDICATIONS1. Procédé de formation d'au moins deux régions métalliques de grilles différentes d'au moins deux transistors MOS comprenant : a) une formation d'une couche métallique (GM) sur une couche de diélectrique de grille (GHK), b) une formation d'un masque dur métallique (MM) sur la couche métallique, le masque dur ayant une composition différente de celle de la couche métallique, recouvrant une première région (GM1) de la couche métallique et laissant découverte une deuxième région (GM2) de la couche métallique c) un recuit de diffusion de la structure obtenue à l'étape b) de façon à faire diffuser des atomes métalliques du masque dur dans la première région (GM1), et d) un retrait du masque dur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le recuit est un recuit thermique rapide au moyen d'un gaz comportant de l'azote. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le gaz est de l'ammoniac. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le recuit thermique rapide a une durée comprise entre 1 secondes et 5 minutes. 5. Procédé selon l'une des revendication 2 à 4, dans lequel la température du recuit est comprise entre 400°C et 1200°C. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche métallique comporte du nitrure de titane. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, le masque dur comporte un métal choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le chrome, le manganèse, le molybdène, le tungstène, le tantale, le rhénium, le ruthénium, le cobalt, le nickel, le lanthane, ou un oxyde d'un métal dudit groupe ou un nitrure d'un métal dudit groupe.