Brevet FR3043837A1 — publié le 20170519

PROCEDE DE REALISATION DE TRANSISTOR A NANOFIL SEMI-CONDUCTEUR ET COMPRENANT UNE GRILLE ET DES ESPACEURS AUTO-ALIGNES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention porte sur un procédé de réalisation de transistor à nanofil(s) semi-conducteur(s) et comprenant une grille et des espaceurs auto-alignés. L'invention s'applique notamment à la réalisation de transistors à grille multiple, ou transistors multigrille, par exemple de type GAAFET (« Gate-All-Around Field-Effect Transistor », ou transistor à effet de champ à grille enrobante). L'invention s'applique notamment au domaine des dispositifs FET utilisés pour des applications logiques à hautes performances et basse consommation de la microélectronique, ainsi qu'à celui du design et de la fabrication des transistors FET comportant chacun plusieurs nanofils superposés les uns au-dessus des autres, utilisés dans la conception de circuits intégrés ayant des performances électriques améliorées par rapport à l'état de l'art actuel. Le document US 2008/0135949 Al décrit un procédé de réalisation d'un transistor FET dont le canal est formé de plusieurs nanofils superposés. Dans ce procédé, un empilement de couches semi-conductrices comprenant une alternance de couches de silicium et de couches de SiGe est tout d'abord réalisé. Lorsque le silicium est le matériau destiné à former les nanofils, un retrait sélectif du SiGe par rapport au silicium est ensuite mis en oeuvre au niveau de la région de canal du transistor de manière à libérer les nanofils de silicium avant de déposer la grille du transistor autour de ces nanofils. Avec un tel procédé, des règles de dessin contraignantes doivent être appliquées pour pouvoir libérer les nanofils de silicium tout en ayant un maintien de la structure. Du fait de ces règles de dessin, l'encombrement des blocs semi-conducteurs formant la source et le drain est important et ne permet pas d'obtenir une forte densité de nanofils. Par ailleurs, un bon positionnement ainsi qu'une bonne définition du motif de grille s'avère difficile à obtenir. 3043837 2 Les documents US 8 679 902 Eil et EP 2 654 083 Al décrivent d'autres procédés de réalisation de transistors dont les canaux comportent des nanofils superposés et qui sont dotés d'une grille enrobante autour des nanofils. Dans ces documents, la grille est formée par un procédé de type damascène (approche connue 5 sous le nom de « Gate-Last » ou « Replacement Metal Gate », RMG), dans lequel : - une grille sacrificielle est tout d'abord formée en recouvrant un empilement de couches de silicium et de couches de SiGe alternées, au niveau de la région de canal, puis - des espaceurs de grille et les régions de source et drain sont réalisés, 10 puis - la grille sacrificielle est ensuite gravée à travers une couche de masquage recouvrant toute la structure, cette gravure servant également à supprimer le SiGe (lorsque le SiGe est utilisé comme matériau sacrificiel et que le canal est destiné à être formé par des nanofils de silicium) au niveau de la région de canal du transistor pour 15 former les nanofils, et enfin - la grille définitive est réalisée dans l'espace formé par la gravure de la grille sacrificielle. L'inconvénient d'une telle approche est que la gravure mise en oeuvre pour supprimer le SiGe au niveau de la région de canal ne s'arrête pas à l'aplomb de 20 l'ouverture formée dans la couche de masquage pour le retrait de la grille sacrificielle, cette gravure se propageant vers les régions de source et de drain. Lors du retrait sélectif du SiGe par rapport au silicium, il n'y a pas d'auto-alignement du SiGe retiré avec l'emplacement défini pour former la grille. Par conséquent, la grille définitive déposée après le retrait de ces couches sacrificielles n'est pas auto-alignée avec le volume formé 25 uniquement par le retrait de la grille sacrificielle. Cela entraîne une augmentation des capacités parasites au sein du transistor car lors du remplissage de la cavité par les matériaux de grille, certaines zones du bord de grille recouvrent les zones de source et de drain. 3043837 3 EXPOSÉ DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d'un transistor à au moins un nanofil semi-conducteur et d'une grille enrobante, ou partiellement enrobante, auto-alignée avec des espaceurs internes 5 disposés entre la grille et les régions de source et de drain, permettant la réalisation de transistors avec une forte densité sur le support et ne présentant pas les inconvénients des procédés de l'art antérieur exposés ci-dessus. Pour cela, la présente invention propose un procédé de réalisation d'au moins un transistor à au moins un nanofil semi-conducteur, comportant au moins la mise 10 en oeuvre des étapes suivantes : a) réalisation, sur un support, d'au moins un premier nanofil semiconducteur dont une première portion destinée à faire partie du canal du transistor est recouverte partiellement d'une grille sacrificielle, la grille sacrificielle et le premier nanofil étant entourés d'une première couche diélectrique, 15 b) retrait de la grille sacrificielle, formant un premier espace libre autour duquel sont disposées des premières parties de la première couche diélectrique, c) première implantation ionique d'au moins une deuxième partie de la première couche diélectrique disposée entre la première portion du premier nanofil et le support, les premières parties de la première couche diélectrique protégeant des 20 troisièmes parties de la première couche diélectrique vis-à-vis de cette première implantation ionique, d) gravure sélective de la deuxième partie de la première couche diélectrique, formant un deuxième espace libre, e) réalisation d'une grille dans les premier et deuxième espaces libres, 25 et d'une portion diélectrique disposée sur la grille et sur les premières parties de la première couche diélectrique, f) deuxième implantation ionique de quatrièmes parties de la première couche diélectrique entourant des deuxièmes portions du premier nanofil destinées à faire partie des régions de source et de drain du transistor, la portion diélectrique 3043837 4 protégeant les premières et troisièmes parties de la première couche diélectrique vis-à-vis de cette deuxième implantation ionique, g) gravure sélective des quatrièmes parties de la première couche diélectrique. 5 Dans ce procédé, les troisièmes parties de la première couche diélectrique forment donc des espaceurs disposés entre le premier nanofil et le support, et également entre les nanofils lorsque le transistor comporte plusieurs nanofils, et empêchant le dépôt des matériaux de grille dans les régions de source et de drain du transistor. 10 Lors de la mise en oeuvre de ce procédé, le ou les nanofils ne sont pas gravés afin de ne conserver que la ou les parties du ou des nanofils destinées à former le canal du transistor, évitant ainsi une perte de la contrainte présente dans le canal qui serait due à la présence de bords libres autour de ces parties du ou des nanofils. Dans ce procédé, les espaceurs formés par les troisièmes portions de la 15 première couche diélectrique sont définis de manière auto-alignée grâce aux implantations ioniques mises en oeuvre au cours desquelles les premières parties de la première couche diélectrique et la portion diélectrique masquent ces troisièmes portions de la première couche diélectrique vis-à-vis de ces implantation ioniques qui définissent les parties de la couche diélectrique à supprimer. Ainsi, les espaceurs formés par ces 20 troisièmes portions de la première couche diélectrique sont bien alignés avec l'espaceur de grille formé par les premières parties de la première couche diélectrique, la grille étant également bien alignée avec la partie du ou des nanofils formant le canal du transistor. Enfin, étant donné que des parties du ou des nanofils sont conservées pour réaliser les régions de source et de drain, la réalisation de ces régions, par exemple 25 par épitaxie, n'est pas critique en raison de la surface de semi-conducteur exposée de ces parties du ou des nanofils, évitant ainsi la formation de défauts dans le semi-conducteur des régions de source et de drain. Ce procédé permet également de réaliser un ou plusieurs transistors formés de plusieurs nanofils, ou plusieurs ensembles de nanofils superposés, disposés les 3043837 5 uns à côté des autres avec une forte densité, par exemple réalisés avec un pas de répétition compris entre environ 30 nm et 40 nm. Ce procédé peut être mis en oeuvre pour réaliser des transistors de type GAAFET, ayant avantageusement des longueurs de grille inférieures à environ 20 nm. 5 L'invention s'applique avantageusement pour la fabrication de transistors servant à la réalisation de circuits intégrés pour les applications logiques à hautes performances et faible consommation de la microélectronique : mémoire flash type NAND, mémoire moléculaire, applications de type capteur de charges. Le procédé peut s'appliquer à toute structure nécessitant un auto- 10 alignement d'une grille vis-à-vis d'un ou plusieurs nanofils suspendus au-dessus d'un support. La deuxième partie de la première couche diélectrique est disposée entre les troisièmes parties de la première couche diélectrique. L'étape a) peut comporter au moins la mise en oeuvre des étapes 15 suivantes : al) réalisation, sur le support, d'un empilement de couches comprenant au moins une première couche de matériau sacrificiel et au moins une deuxième couche de semi-conducteur, le matériau sacrificiel étant apte à être gravé sélectivement vis-à-vis du semi-conducteur de la deuxième couche, 20 a2) gravure de l'empilement de couches, formant au moins le premier nanofil disposé sur une portion du matériau sacrificiel, a3) réalisation de la grille sacrificielle sur la première portion du premier nanofil et contre des flancs latéraux de la première portion du premier nanofil et d'une partie de la portion de matériau sacrificiel, 25 a4) gravure de la portion de matériau sacrificiel, a5) dépôt de la première couche diélectrique autour de la grille sacrificielle et du premier nanofil. Dans ce cas, l'étape a3) peut comporter au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : 3043837 6 a31) dépôt d'une couche de diélectrique de grille sacrificielle sur le premier nanofil et contre les flancs latéraux du premier nanofil et de la portion du matériau sacrificiel, a32) dépôt d'une couche de matériau conducteur de grille sacrificielle 5 recouvrant la couche de diélectrique de grille sacrificielle, a33) réalisation, sur la couche de matériau conducteur de grille sacrificielle, d'un masque selon un motif correspondant à celui de la grille sacrificielle, a34) gravure de la couche de diélectrique de grille sacrificielle et de la couche de matériau conducteur de grille sacrificielle selon le motif du masque, formant la 10 grille sacrificielle, et dans lequel la première couche diélectrique peut recouvrir également le masque disposé sur la grille sacrificielle. Le procédé peut comporter en outre, entre les étapes a5) et b), une étape de retrait d'une partie de la première couche diélectrique disposée sur le masque, 15 puis une étape de retrait du masque. La première couche diélectrique entourant la grille sacrificielle et le premier nanofil peut comporter au moins un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique est inférieure ou égale à 7. Cela permet de réduire les capacités parasites et donc d'augmenter la vitesse de fonctionnement d'un circuit CMOS comportant de tels 20 transistors. L'étape c) et/ou l'étape f) du procédé, correspondant aux implantations ioniques, peuvent être mises en oeuvre par plasma à base de dihydrogène, ou par faisceau ionique à base d'argon, de fluor ou d'hydrogène. Dans ce cas, le procédé peut comporter en outre, lorsque l'étape c) est 25 mise en oeuvre par faisceau ionique, une étape de recuit apte à recristalliser le semi- conducteur de la première portion du premier nanofil et mise en oeuvre entre les étapes c) et d). Le procédé peut comporter en outre, entre les étapes a) et b), la mise en oeuvre des étapes de : 3043837 7 - dépôt d'une deuxième couche diélectrique recouvrant l'ensemble formé du support, du premier nanofil, de la grille sacrificielle et de la première couche diélectrique, - planarisation de la deuxième couche diélectrique avec arrêt sur la 5 première couche diélectrique, et dans lequel des parties de la deuxième couche diélectrique recouvrant les quatrièmes parties de la première couche diélectrique sont retirées entre l'étape de réalisation de la grille et l'étape de deuxième implantation ionique. Dans ce cas, la portion diélectrique peut être avantageusement réalisée 10 dans un troisième espace libre formé dans la deuxième couche diélectrique. La deuxième couche diélectrique permet de réaliser aisément la portion diélectrique de manière localisée sur la grille et sur les premières portions de la première couche diélectrique. Le procédé peut comporter en outre, lorsque la grille comporte du polysilicium, une étape de siliciuration d'une partie supérieure du polysilicium de la grille 15 mise en oeuvre entre les étapes e) et f). La mise en oeuvre de l'étape g) peut graver également une partie de la portion diélectrique dans laquelle des ions ont été implantés lors de la mise en oeuvre de l'étape f). Le procédé peut comporter en outre, après l'étape g), la mise en oeuvre 20 d'une épitaxie des régions de source et de drain du transistor à partir des deuxièmes portions du premier nanofil, puis d'une siliciuration des régions de source et de drain. Le procédé peut être tel que : - l'étape a) réalise en outre au moins un deuxième nanofil semiconducteur disposé au-dessus du premier nanofil et dont une première portion destinée 25 à faire partie du canal du transistor est recouverte partiellement par la grille sacrificielle, la première couche diélectrique entourant également le deuxième nanofil, - la deuxième partie de la première couche diélectrique comporte en outre une portion de la première couche diélectrique disposée entre les premier et deuxième nanofils, 3043837 8 - les quatrièmes parties de la première couche diélectrique entourent également des deuxièmes portions du deuxième nanofil destinées à faire partie des régions de source et de drain du transistor. Le procédé peut être mis en oeuvre pour plus de deux nanofils 5 superposés les uns au-dessus des autres. La grille sacrificielle et la grille peuvent comporter chacune plusieurs portions distinctes espacées les unes des autres. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 10 d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 20 représentent les étapes d'un procédé de réalisation de transistors à nanofil de semi-conducteur, objet de la présente invention, selon un mode de réalisation particulier. 15 Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles. 20 Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère tout d'abord aux figures 1 à 20 qui représentent les étapes 25 d'un procédé de réalisation collectif de deux transistors 100 ici de type GAAFET, selon un mode de réalisation particulier. Ces étapes peuvent toutefois s'appliquer de manière similaire pour la réalisation d'un seul transistor 100. 3043837 9 Les transistors 100 sont réalisés à partir d'un substrat semi-conducteur pouvant être de type bulk, ou massif, par exemple en silicium, ou être de type semiconducteur sur isolant (par exemple SOI ou « Silicon-On-Insulator », SiGe01 ou « SiliconGermanium-On-Insulator », etc.). Dans le mode de réalisation particulier décrit ici, le 5 substrat est de type SOI. Sur la figure 1, une couche diélectrique enterrée 102, ou BOX (« Burried-Oxide »), du substrat SOI est représentée, cette couche 102 étant recouverte d'une couche superficielle 104 ici en silicium. La couche superficielle 104 a par exemple une épaisseur égale à environ 7 nm, cette épaisseur pouvant être comprise entre environ 5 nm et 10 nm. Pour la réalisation de transistors 100 destinés à avoir une grille de 10 longueur comprise entre environ 15 nm et 16 nm, l'épaisseur de la couche sacrificielle peut être comprise entre environ 6 nm et 7 nm. La couche 102 a par exemple une épaisseur comprise entre environ 20 nm et 700 nm, et par exemple égale à environ 145 nm. La couche superficielle 104 est ensuite recouverte d'une deuxième 15 couche 106 comprenant un matériau correspondant au semi-conducteur destiné à former le ou les nanofils du transistor, ici du SiGe. Le matériau de la couche superficielle 104 est tel qu'il puisse être gravé sélectivement vis-à-vis du semi-conducteur de la deuxième couche 106. L'épaisseur de la deuxième couche 106 est par exemple égale à environ 8 nm, et peut être comprise entre environ 2 nm et 50 nm. Un ou plusieurs autres 20 empilements de couches similaires à l'empilement formé des couches 104 et 106 sont ensuite réalisés sur la deuxième couche 106, suivant le nombre de nanofils superposés destinés à être réalisés pour les transistors 100. Sur l'exemple de la figure 2, un seul empilement supplémentaire formé d'une troisième couche 108 comprenant le même matériau que celui de la couche superficielle 104, ici du silicium, et d'une quatrième 25 couche 110 comprenant le même matériau que celui de la deuxième couche 106, ici du SiGe, est réalisé sur la deuxième couche 106. L'épaisseur de la troisième couche 108 est par exemple similaire à celle de la couche superficielle 104, et celle de la quatrième couche 110 est par exemple similaire à celle de la deuxième couche 106. Les épaisseurs des couches 106 et 110 correspondent aux épaisseurs des nanofils des transistors 100 qui seront réalisés par la suite, et les épaisseurs des couches 104 et 108 correspondent aux 3043837 10 épaisseurs des espaces qui sépareront les nanofils superposés les uns des autres et de l'espace entre le substrat et le premier nanofil. De manière générale, les transistors 100 peuvent être réalisés à partir d'un nombre d'empilements de couches compris entre environ 1 et 20, permettant la réalisation d'un nombre de nanofils semi-conducteurs 5 superposés compris entre environ 1 et 20. Les couches 106, 108 et 110 sont par exemple réalisées par épitaxie. Selon une première variante, le matériau des couches 104 et 108 peut être du silicium et le matériau des couches 106, 110 peut être du Sii_xGex, avec X tel que 0,05 REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'au moins un transistor (100) à au moins un nanofil semi-conducteur (120, 122), comportant au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : a) réalisation, sur un support (102), d'au moins un premier nanofil semiconducteur (120) dont une première portion (123) destinée à faire partie du canal du transistor est recouverte partiellement d'une grille sacrificielle (114), la grille sacrificielle et le premier nanofil étant entourés d'une première couche diélectrique (126), b) retrait de la grille sacrificielle, formant un premier espace libre (130) autour duquel sont disposées des premières parties (131) de la première couche diélectrique, c) première implantation ionique d'au moins une deuxième partie (132) de la première couche diélectrique disposée entre la première portion du premier nanofil et le support, les premières parties de la première couche diélectrique protégeant des troisièmes parties (136) de la première couche diélectrique vis-à-vis de cette première implantation ionique, d) gravure sélective de la deuxième partie de la première couche diélectrique, formant un deuxième espace libre (138), e) réalisation d'une grille (140, 142) dans les premier et deuxième espaces libres, et d'une portion diélectrique (148) disposée sur la grille et sur les premières parties de la première couche diélectrique, f) deuxième implantation ionique de quatrièmes parties (149) de la première couche diélectrique entourant des deuxièmes portions (151) du premier nanofil destinées à faire partie des régions de source et de drain (152) du transistor, la portion diélectrique protégeant les premières et troisièmes parties de la première couche diélectrique vis-à-vis de cette deuxième implantation ionique, g) gravure sélective des quatrièmes parties de la première couche diélectrique. 3043837 19 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comporte au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : al) réalisation, sur le support (102), d'un empilement de couches (104, 106, 108, 110) comprenant au moins une première couche de matériau sacrificiel (104) et 5 au moins une deuxième couche de semi-conducteur (106), le matériau sacrificiel étant apte à être gravé sélectivement vis-à-vis du semi-conducteur de la deuxième couche (106), a2) gravure de l'empilement de couches (104, 106, 108, 110), formant au moins le premier nanofil (120) disposé sur une portion du matériau sacrificiel (104a), 10 a3) réalisation de la grille sacrificielle (114) sur la première portion (123) du premier nanofil (120) et contre des flancs latéraux de la première portion (123) du premier nanofil (120) et d'une partie de la portion de matériau sacrificiel (104a), a4) gravure de la portion de matériau sacrificiel (104a), a5) dépôt de la première couche diélectrique (126) autour de la grille 15 sacrificielle (114) et du premier nanofil (120). 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape a3) comporte au moins la mise en oeuvre des étapes suivantes : a31) dépôt d'une couche de diélectrique de grille sacrificielle sur le 20 premier nanofil (120) et contre les flancs latéraux du premier nanofil (120) et de la portion du matériau sacrificiel (104a), a32) dépôt d'une couche de matériau conducteur de grille sacrificielle recouvrant la couche de diélectrique de grille sacrificielle, a33) réalisation, sur la couche de matériau conducteur de grille 25 sacrificielle, d'un masque (118) selon un motif correspondant à celui de la grille sacrificielle (114), a34) gravure de la couche de diélectrique de grille sacrificielle et de la couche de matériau conducteur de grille sacrificielle selon le motif du masque (118), formant la grille sacrificielle (114), 3043837 20 et dans lequel la première couche diélectrique (126) recouvre également le masque (118) disposé sur la grille sacrificielle (114). 4. Procédé selon la revendication 3, comportant en outre, entre les 5 étapes a5) et b), une étape de retrait d'une partie de la première couche diélectrique (126) disposée sur le masque (118), puis une étape de retrait du masque (118). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première couche diélectrique (126) entourant la grille sacrificielle (114) et le premier 10 nanofil (120) comporte au moins un matériau diélectrique dont la permittivité diélectrique est inférieure ou égale à 7. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) et/ou l'étape f) sont mises en oeuvre par plasma à base de dihydrogène, ou par 15 faisceau ionique à base d'argon, de fluor ou d'hydrogène. 7. Procédé selon la revendication 6, comportant en outre, lorsque l'étape c) est mise en oeuvre par faisceau ionique, une étape de recuit apte à recristalliser le semi-conducteur de la première portion (123) du premier nanofil (120) et mise en 20 oeuvre entre les étapes c) et d). 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, entre les étapes a) et b), la mise en oeuvre des étapes de : - dépôt d'une deuxième couche diélectrique (128) recouvrant 25 l'ensemble formé du support (102), du premier nanofil (120), de la grille sacrificielle (114) et de la première couche diélectrique (126), - planarisation de la deuxième couche diélectrique (128) avec arrêt sur la première couche diélectrique (126), et dans lequel des parties de la deuxième couche diélectrique (128) 30 recouvrant les quatrièmes parties (149) de la première couche diélectrique (126) sont 3043837 21 retirées entre l'étape de réalisation de la grille (140, 142) et l'étape de deuxième implantation ionique. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la portion 5 diélectrique (148) est réalisée dans un troisième espace libre (144) formé dans la deuxième couche diélectrique (128). 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, lorsque la grille (140, 142) comporte du polysilicium, une étape de siliciuration 10 d'une partie supérieure (146) du polysilicium de la grille mise en oeuvre entre les étapes e) et f). 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la mise en oeuvre de l'étape g) grave également une partie (150) de la portion diélectrique 15 (148) dans laquelle des ions ont été implantés lors de la mise en oeuvre de l'étape f). 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre, après l'étape g), la mise en oeuvre d'une épitaxie des régions de source et de drain (152) du transistor (100) à partir des deuxièmes portions (151) du premier nanofil 20 (120), puis d'une siliciuration (154) des régions de source et de drain (152). 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel : - l'étape a) réalise en outre au moins un deuxième nanofil semiconducteur (122) disposé au-dessus du premier nanofil (120) et dont une première 25 portion (123) destinée à faire partie du canal du transistor (100) est recouverte partiellement par la grille sacrificielle (114), la première couche diélectrique (126) entourant également le deuxième nanofil (122), - la deuxième partie (132) de la première couche diélectrique (126) comporte en outre une portion de la première couche diélectrique (126) disposée entre 30 les premier et deuxième nanofils (120, 122), 3043837 22 - les quatrièmes parties (149) de la première couche diélectrique (126) entourent également des deuxièmes portions (151) du deuxième nanofil (122) destinées à faire partie des régions de source et de drain (152) du transistor (100). 5 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la grille sacrificielle (114) et la grille (140, 142) comportent chacune plusieurs portions distinctes espacées les unes des autres.