Brevet FR3034254A1 — publié le 20160930

Procédé de réalisation d'un substrat de type SOI, en particulier FDSOI, adapté à des transistors ayant des diélectriques de grilles d'épaisseurs différentes, substrat et circuit intégré correspondants L'invention concerne les circuits intégrés, et plus particulièrement la réalisation de films minces d'épaisseurs différentes, à partir d'un même substrat du type silicium sur isolant communément désigné par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon « SOI » (« Silicon On Insulator ») et tout particulièrement un substrat du type silicium totalement déserté sur isolant, connu par l'homme du métier sous l'acronyme anglosaxon « FDSOI » (« Fully Depleted Silicon On Insolator »). Un substrat du type silicium sur isolant comprend en général un film semiconducteur, par exemple en silicium ou en alliage de silicium, d'épaisseur uniforme, reposant sur une couche isolante enterrée, communément désignée sous l'acronyme anglosaxon de « BOX » (« Buried-OXide ») elle-même située au-dessus d'un substrat porteur, par exemple un caisson semiconducteur. Particulièrement dans une technologie FDSOI, le film semiconducteur est complètement déserté ce qui assure un bon contrôle électrostatique. En général, l'épaisseur du film semiconducteur est très faible, par exemple de l'ordre de quelques nanomètres. La couche isolante enterrée est en outre généralement fine, de l'ordre d'une vingtaine de nanomètres. Cependant, il peut être nécessaire dans certaines applications de réaliser sur un même substrat SOI ou FDSOI des transistors ayant des oxydes de grille d'épaisseurs différentes, par exemple des transistors à oxyde de grille fin et des transistors à oxyde de grille épais pour supporter des tensions élevées, par exemple de l'ordre de plusieurs volts. Par ailleurs, la fiabilité porteur chaud (HCI : Hot Carrier Injection) des transistors est fortement dépendante de l'épaisseur du film mince, qui est unique sur tout le substrat. La dégradation sera 3034254 2 d'autant plus importante que l'épaisseur du film mince est faible et aggravée par des fortes tensions. Et pour de tels transistors, il y a toujours un compromis à faire entre la fiabilité porteur chaud (HCI) et le contrôle électrostatique. 5 Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé d'améliorer ce compromis pour tous transistors, par exemple dans le cas de transistors à oxyde de grille épais réalisés conjointement à des transistors à oxyde de grille fin sur un même substrat SOI, en particulier FDSOI. 10 Selon un mode de mise en oeuvre, il est proposé de réaliser des films minces d'épaisseurs différentes sur un même substrat de type SOI. Selon un aspect, il est proposé un procédé, comprenant une réalisation d'un substrat de type silicium sur isolant à partir d'un 15 substrat initial de type silicium sur isolant possédant un film semiconducteur au-dessus d'une couche isolante enterrée elle-même située au-dessus d'un substrat porteur. Le procédé selon cet aspect comprend au moins une modification localisée de l'épaisseur du film semiconducteur de façon 20 à former un film semiconducteur ayant des épaisseurs différentes dans des zones différentes. Selon une variante possible, ladite au moins une modification localisée du film comprend un masquage du film semiconducteur dans au moins une première zone par un masque, une formation dans au 25 moins une deuxième zone du film semiconducteur d'au moins une couche de protection consommant une partie du film semiconducteur, par exemple une couche de type PADOX (PAD OXyde) selon un acronyme anglosaxon bien connu de l'homme de métier, et un retrait du masque et de la couche de protection. 30 Selon une autre variante possible, ladite au moins une modification localisée peut comprendre une formation d'une couche de protection sur le film semiconducteur, par exemple une couche de type PADOX, un retrait de la couche de protection dans au moins une première zone du film semiconducteur, au moins une épitaxie de type 3034254 3 silicium sur le film semiconducteur dans ladite au moins une première zone, et un retrait de la couche de protection dans une deuxième zone. Le procédé peut comprendre en outre une formation de transistors à oxyde de grille d'épaisseurs différentes sur le film 5 semiconducteur de façon à former au moins un premier transistor avec un diélectrique de grille ayant une première épaisseur de diélectrique, par exemple un transistor à oxyde de grille fin, dans une zone où le film semiconducteur a une première épaisseur de film et au moins un deuxième transistor avec un diélectrique de grille ayant une deuxième 10 épaisseur de diélectrique plus grande que le première épaisseur de diélectrique, par exemple un transistor à oxyde de grille épais, dans une autre zone où le film semiconducteur a une deuxième épaisseur de film plus grande que la première épaisseur de film. Le substrat peut être avantageusement du type silicium 15 totalement déserté sur isolant (FDSOI). Selon un autre aspect, il est proposé un substrat de type silicium sur isolant comportant un film semiconducteur ayant des épaisseurs différentes dans des zones différentes et reposant sur une même couche isolante enterrée elle-même située au-dessus d'un même 20 substrat porteur. Le substrat peut être par exemple du type silicium totalement déserté sur isolant. Selon encore un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant ledit substrat de type silicium sur isolant défini ci-avant, 25 au moins un premier transistor avec un diélectrique de grille ayant une première épaisseur de diélectrique dans une zone où le film semiconducteur a une première épaisseur de film et au moins un deuxième transistor avec un diélectrique de grille ayant une deuxième épaisseur de diélectrique plus grande que la première épaisseur de 30 diélectrique dans une autre zone où le film semiconducteur a une deuxième épaisseur de film plus grande que la première épaisseur de film. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise 3034254 4 en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - Les figures 1 à 11 illustrent schématiquement des modes de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention. 5 La figure 1 illustre un substrat initial S du type silicium totalement déserté sur isolant (FDSOI) comprenant un film semiconducteur 3 au-dessus d'une couche isolante enterrée 2 (BOX) elle-même reposant sur un substrat porteur 1 qui peut être par exemple un caisson semiconducteur. 10 Il convient de noter que l'épaisseur initiale EI du film semiconducteur 3 est identique dans des première et deuxième zones Z1 et Z2. Sur ce substrat initial S, on dépose tout d'abord dans les première et deuxième zones Z1 et Z2 une couche 4 de masque dur, par 15 exemple en orthosilicate de tétraéthyle : TEOS (figure 2). En utilisant une photolithographie classique avec un masque de gravure et ensuite une gravure humide adaptée dudit masque dur 4, par exemple une gravure HF (à base d'acide fluorhydrique (HF)), on peut graver la couche de masque dur TEOS 4 dans la deuxième zone Z2 20 jusqu'au film semiconducteur 3 (figure 3). Généralement, dans les procédés de fabrication CMOS, on évite d'effectuer des traitements sur du silicium à nu et on protège ce dernier par une couche d'oxyde communément désignée par l'homme du métier sous le vocale PADOX. 25 Aussi dans ce mode de mise en oeuvre, le film semiconducteur 3 peut être recouvert dans la deuxième zone Z2 d'une couche de protection 5, par exemple de type « PADOX ». Cette formation de la couche PADOX 5 illustrée sur la figure 4 peut être réalisée dans un four. 30 Cette couche PADOX 5 consomme une partie du film semiconducteur 3 pendant sa formation, ce qui diminue l'épaisseur E2 du film semiconducteur 3 dans la deuxième zone Z2. 3034254 5 Puis comme illustré sur la figure 5, on peut éliminer la couche de masque dur 4 ainsi que la couche de protection 5 par exemple par une seule gravure HF. De ce fait, on peut former un substrat S1 de type SOI 5 comportant un film semiconducteur 3 d'épaisseurs différentes (El > E2) dans les différentes zones Z1 et Z2 (figure 5). La différence d'épaisseur peut être de l'ordre de 5 nanomètres ou moins ou plus. Afin d'améliorer le compromis entre le contrôle électrostatique et la fiabilité porteur chaud (HCI) de tous transistors, en particulier 10 des transistors avec un oxyde de grille épais, au moins un transistor Ti comportant un oxyde de grille épais peut avantageusement être formé dans la première zone Z1 où son canal de conduction Cl situé dans le film semiconducteur 3 est plus épais. On forme alors un transistor T2 comportant un diélectrique de grille OX2 plus fin dans la deuxième 15 zone Z2 ayant un canal de conduction C2 plus fin (figure6). A titre indicatif un transistor à oxyde grille épais, est par exemple un transistor avec une épaisseur d'oxyde de l'ordre de 40 Angstrôm tandis qu'un transistor classique à oxyde de grille fin a une épaisseur d'oxyde de l'ordre de 10 à 15 Angstrôm. 20 Le procédé de formation de ces transistors est classique et bien connu par l'homme du métier. Il convient de noter que sur la figure 6, très schématiquement, on n'a volontairement pas illustré des régions isolantes comportant par exemple des tranchées peu profonds (STI : « Shallow Trench 25 Isolation ») qui isolent les première et deuxième zones Z1 et Z2. Les figures 7 à 11 illustrent schématiquement une variante possible de l'invention. La figure 7 illustre un substrat initial S du type FDSOI dans lequel une première zone Z3 et une deuxième zone Z4 sont isolées par 30 des régions isolantes RIS par exemple du type STI. On retrouve un film semiconducteur 3 situé sur une couche isolante enterrée 2 (BOX) elle-même au-dessus un substrat porteur 1 qui peut être par exemple un caisson semiconducteur. 3034254 6 Le film semiconducteur 3 est ici recouvert classiquement par une couche de protection 6, par exemple du type PADOX et est consommé partiellement par cette couche PADOX 6. L'épaisseur du film semiconducteur 3 est donc diminuée de façon uniforme sur tout le 5 film semiconducteur 3. Comme illustré sur la figure 8, on élimine ensuite, par photolithographie classique, masque de gravure et gravure humide adaptée, la couche de protection 6 au-dessus du film semiconducteur 3 dans la deuxième zone Z4. 10 Une étape d'épitaxie de type silicium ou silicium germanium ou alliage de silicium, classique et connue en soi, sur le film semiconducteur 3 dans la deuxième zone Z4 peut être prévue dans l'étape illustrée sur la figure 9 afin de former une épaisseur E4 du film semiconducteur 3 dans la deuxième zone Z4 plus élevée que celle E3 15 dans la première zone Z3. On effectue ensuite une gravure sur le film semiconducteur 3 pour retirer le reste de la couche 6 située au-dessus du film semiconducteur 3 ayant une épaisseur fine E3 dans la première zone Z3 (figure 10). 20 On obtient ainsi un substrat S2 de type SOI dont le film semiconducteur 3 a des épaisseurs différentes E3 et E4 dans les différentes zones Z3 et Z4. Puis d'une façon analogique à ce qui a été décrit en référence à la figure 6 on forme par exemple (figure 11) un transistor T3 25 comprenant un diélectrique de grille OX3 fin sur le film mince C3 dans la première zone Z3 et un transistor T4 comportant un diélectrique de grille OX4 épais sur le canal de conduction C4 dans la deuxième zone Z4. Ainsi avec les deux variantes on peut réaliser un circuit intégré 30 comprenant ledit substrat de type silicium sur isolant S1 ou S2, au moins un premier transistor T2 ou T3 avec un diélectrique de grille ayant une première épaisseur de diélectrique dans une zone Z2 ou Z3 où le film semiconducteur a une première épaisseur de film et au moins un deuxième transistor T1 ou T4 avec un diélectrique de grille 3034254 7 ayant une deuxième épaisseur de diélectrique plus grande que la première épaisseur de diélectrique dans une autre zone Z1 ou Z4 où le film semiconducteur a une deuxième épaisseur de film plus grande que la première épaisseur de film. 5 L'invention n'est pas limitée aux modes de mise en oeuvre et de réalisation qui viennent d'être décrits mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, il serait possible de réaliser plus de deux épaisseurs différentes du film semiconducteur 3 sur le même substrat. 10 REVENDICATIONS1. Procédé, comprenant une réalisation d'un substrat de type silicium sur isolant comportant à partir d'un substrat initial de type silicium sur isolant possédant un film semiconducteur (3) au-dessus d'une couche isolante enterrée (2) elle-même située au-dessus d'un substrat porteur (1), au moins une modification localisée de l'épaisseur du film semiconducteur de façon à former un film semiconducteur (3) ayant des épaisseurs différentes (El, E2, ou E3, E4) dans des zones différentes (Z1, Z2, ou Z3, Z4). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une modification localisée du film (3) comprend un masquage du film semiconducteur dans au moins une première zone (Z1) par un masque (4), une formation dans au moins une deuxième zone (Z2) du film semiconducteur (3) d'au moins une couche de protection (5) consommant une partie du film semiconducteur (3), et un retrait du masque (4) et de la couche de protection (5). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une modification localisée comprend une formation d'une couche de protection (6) sur le film semiconducteur (3), un retrait de la couche de protection (6) dans au moins une première zone (Z3) du film semiconducteur (3), au moins une épitaxie de type silicium sur le film semiconducteur (3) dans ladite au moins une première zone (Z3), et un retrait de la couche de protection (6) dans une deuxième zone (Z4). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une formation de transistors (Ti, T2 ou T3, T4) à oxyde de grille d'épaisseurs différentes (0X1, OX2 ou OX3, OX4) sur le film semiconducteur (3) de façon à former au moins un premier transistor (T2 ou T3) avec un diélectrique de grille (0X2 ou OX3) ayant une première épaisseur de diélectrique dans une zone (Z2 ou Z3) où le film semiconducteur (3) a une première épaisseur (E2 ou E3) de film (3) et au moins un deuxième transistor (Ti ou T4) avec un diélectrique de grille (0X1 ou OX4) ayant une deuxième épaisseur de 3034254 9 diélectrique plus grande que le première épaisseur de diélectrique dans une autre zone (Z1 ou Z4) où le film semiconducteur (3) a une deuxième épaisseur (El ou E4) de film (3) plus grande que la première épaisseur (E2 ou E3) de film (3). 5 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat est du type silicium totalement déserté sur isolant. 6. Substrat de type silicium sur isolant comportant un film semiconducteur (3) ayant des épaisseurs différentes (El, E2 ou E3, E4) dans des zones différentes (Z1, Z2 ou Z3, Z4) et reposant sur une 10 même couche isolante enterrée (2) elle-même située au-dessus d'un même substrat porteur (1). 7. Substrat selon la revendication 6, dans lequel le substrat est du type silicium totalement déserté sur isolant. 8. Circuit intégré comprenant un substrat de type silicium sur 15 isolant selon la revendication 6 ou 7, au moins un premier transistor (T2 ou T3) avec un diélectrique de grille (0X2 ou OX3) ayant une première épaisseur de diélectrique dans une zone (Z2 ou Z3) où le film semiconducteur (3) a une première épaisseur de film (E2 ou E3) et au moins un deuxième transistor (Ti ou T4) avec un diélectrique de grille 20 (0X1 ou OX4) ayant une deuxième épaisseur de diélectrique plus grande que la première épaisseur de diélectrique dans une autre zone (Z1 ou Z4) où le film semiconducteur (3) a une deuxième épaisseur de film (El ou E4) plus grande que la première épaisseur de film (E2 ou E3). 25