Brevet FR3069952A1 — publié le 20190208

REALISATION D'UN TRANSISTOR A STRUCTURE DE CANAL ET REGIONS DE SOURCE ET DE DRAIN EN SEMI-METAL DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente demande concerne le domaine de la microélectronique et des transistors, en particulier celui des transistors formés à base d'un semi-métal tel que le bismuth. Le document US2017/0125554 Al présente par exemple un transistor ayant une structure de canal en bismuth et dont l'agencement est vertical c'est-à-dire dans une direction sensiblement parallèle à une normale à un plan principal du support sur lequel le transistor est formé. Il se pose le problème d'améliorer une telle structure de transistor, en particulier au niveau des résistances de contact avec la région de source et la région de drain. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention se propose de réaliser un dispositif à transistor dont le canal est à agencement vertical et à base de semi-métal tel que le bismuth, dans lequel les résistances des contacts de source et de drain sont notamment diminuées. Pour cela, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé comprenant des étapes de: - formation d'un empilement doté d'une première zone de contact, de source ou de drain, et d'une première couche sur cette première zone de contact, - formation sur cet empilement d'un bloc de grille et d'une deuxième couche sur ce bloc de grille, - réalisation d'au moins un trou traversant la deuxième couche, le bloc de grille et la première couche de sorte à dévoiler la première zone de contact, le trou étant réalisé de sorte à avoir une première portion et une deuxième portion situées 2 respectivement dans la première couche et dans la deuxième couche chacune ayant une section transversale plus importante que celle d'une troisième portion du trou située dans le bloc de grille, - remplissage du trou à l'aide d'un matériau donné à base de semi-métal 5 de sorte à former une région de source ou de drain dans la première portion, une région de canal dans la troisième portion, une région de drain ou de source dans la deuxième portion, la région de canal ayant une section transversale plus faible que celle des régions de source et de drain. Le matériau donné à base de semi-métal est avantageusement du 10 bismuth ou un alliage à base de bismuth tel qu'un matériau à base de bismuth et d'étain ou bien à base de bismuth et d'antimoine ou bien de bismuth et d'arsenic, ou bien d'un alliage de bismuth, d'étain, d'antimoine et d'arsenic ou d'un alliage comportant le ou les éléments précités et du bismuth. Un tel matériau a pour avantage de présenter des propriétés de semi- 15 conducteur ou d'un matériau conducteur en fonction de ses dimensions. Ainsi, on peut prévoir une troisième portion et des première et deuxième portions avec des dimensions respectives, en particulier des sections transversales, adaptées de sorte à former, à partir d'un même matériau une région de canal semi-conductrice et des régions de source et de drain conductrices. 20 La région de canal est ainsi avantageusement prévue avec une section transversale (« cross section » selon la terminologie anglo-saxonne) de dimension critique ou de diamètre inférieur à un seuil en deçà duquel le matériau donné est semiconducteur, avec des bandes de valence et conduction séparées par une bande interdite, dont le gap est positif. 25 Lorsque le matériau donné est par exemple en bismuth massif ce seuil peut être de l'ordre de 15 nm à température ambiante. Les régions de source et drain sont de préférence prévues avec des sections transversales respectives de dimension critique ou de diamètre supérieures à ce seuil. 3 Avantageusement, la première couche et la deuxième couche sont en matériau isolant. Selon une possibilité de mise en oeuvre, après formation du trou et préalablement à un remplissage du trou à l'aide du matériau donné on peut former un 5 diélectrique de grille dans une zone située dans le trou et sur le bloc de grille par au moins une oxydation du bloc de grille. Avantageusement, la première zone de contact est à base d'un matériau insensible à l'oxydation du bloc de grille, en particulier un métal noble tel que le platine. Cela peut permettre d'éviter de réaliser le diélectrique de grille sur la première zone de 10 contact et d'avoir ensuite à le retirer. Cela participe à la réalisation d'un contact de qualité améliorée. Le matériau donné à base de bismuth peut être polycristallin au moment du dépôt. On effectue alors, après remplissage, un recuit de recristallisation afin de lui conférer un caractère monocristallin. 15 Avantageusement, le matériau donné à base de semi-métal est non- dopé. On évite ainsi une répartition non-contrôlée de dopants lors du recuit de recristallisation. Préalablement au recuit de recristallisation on peut avantageusement former des plots de connexion par réalisation d'ouvertures dévoilant respectivement le 20 bloc de grille et la première zone de contact puis, on effectue un remplissage des ouvertures à l'aide d'au moins un matériau conducteur. Lorsque le bloc de grille formé est prévu avec un gradient de dopants, on peut réaliser un trou de forme évasée dans le bloc de grille et réaliser ainsi un canal de forme évasée. Cela peut permettre de diminuer une éventuelle barrière de potentiel 25 entre le canal et le drain et donc diminuer un phénomène de réflexion d'électrons vers le canal susceptible de provoquer une diminution de courant. La formation de la première portion de trou et de la deuxième portion de trou peut comprendre une gravure sélective de la première couche et de la deuxième couche vis-à-vis du bloc de grille. Une gravure à l'aide de HF peut être en particulier mise en oeuvre lorsque la première couche et la deuxième couche sont en oxyde de silicium. 4 Selon un autre aspect, la présente invention prévoit également un transistor à canal vertical obtenu à l'aide d'un procédé tel que défini plus haut. En particulier, un mode de réalisation prévoit un transistor comprenant : - un bloc de grille, 5 - une structure en un matériau donné à base de bismuth traversant ce bloc de grille, la structure comportant une région de canal s'étendant à travers le bloc de grille et des régions de source et de drain de part et d'autre de la région de canal et du bloc de grille, les régions de source et de drain ayant une section transversale plus 10 importante que la section transversale de la région de canal, - une première zone de contact en matériau conducteur et disposée contre la région de source à base de bismuth, - une deuxième zone de contact en matériau conducteur et disposée contre la région de drain à base de bismuth. 15 Avantageusement, un mode de réalisation prévoit une région de canal avec des portions de forme évasée disposées tête-bêche. Un autre mode de réalisation prévoit une région de canal comportant une portion de forme évasée entre une première face et une deuxième face du bloc de grille. 20 Un mode de réalisation prévoit une région de canal formée d'une pluralité de nano-fils à base de bismuth. La présente demande vise également à protéger un dispositif comprenant au moins un premier transistor et au moins un deuxième transistor en semi-métal tels que définis plus haut ou obtenus à l'aide d'un procédé tel que défini plus haut, 25 les transistors étant superposés. Selon une possibilité de mise en oeuvre, le premier transistor et le deuxième transistor partagent une électrode commune. Selon une autre possibilité de mise en oeuvre, le premier transistor est disposé entre des lignes conductrices d'une première paire de lignes conductrices, le 5 deuxième transistor étant disposé entre des lignes conductrices d'une deuxième paire de lignes conductrices. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description 5 d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : Les figures 1A-1K servent à illustrer un exemple de procédé de réalisation d'une structure de transistor comportant des régions de source, de drain et de canal en matériau semi-métallique, en particulier à base de bismuth ; 10 Les figures 2A-2D servent à illustrer différents exemples de structures de transistors en matériau semi-métallique et comportant des régions de source et de drain de section plus élevée que celle de la région de canal ; Les figures 3A-3C servent à illustrer différents exemples de dispositifs à structures de transistors en matériau semi-métallique superposés ; 15 Les figures 4A-4B servent à illustrer des exemples de structures de canal de transistors formées d'un ou plusieurs nano-fils en bismuth traversant un bloc de grille ; Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. 20 Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme pour rendre les figures plus lisibles. En outre, dans la description ci-après, des termes qui dépendent de l'orientation d'une structure, telle que « vertical », « sous », « au-dessus », « latéraux », etc. s'appliquent en considérant que la structure est orientée de la façon illustrée sur les 25 figures. 6 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On se réfère à présent à la figure 1A illustrant un exemple d'empilement à partir duquel une structure de transistor à base d'un matériau en semi-métal et à canal ayant un agencement vertical peut être formée. 5 L'empilement comprend dans cet exemple une couche de substrat 2, par exemple en silicium, sur laquelle repose une couche isolante 4. La couche de substrat 2 peut être une couche superficielle d'un substrat de type semi-conducteur sur isolant ou bien une couche de support dans laquelle un ou plusieurs éléments de transistors, par exemple des canaux de transistors (non 10 représentés) peuvent avantageusement avoir déjà été formés. La couche isolante 4 est par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium ou bien en oxynitrure de silicium. Cette couche isolante 4 peut être prévue avec une épaisseur comprise par exemple entre 10 nm et 100 nm et peut être formée par oxydation thermique de la couche semi-conductrice 2 ou bien par dépôt, en particulier de 15 type CVD (« Chemical Vapor Deposition ») ou PECVD (« Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition »). Sur la couche isolante 4, une zone de contact 6 de source ou de drain est formée. Cette zone de contact 6 est réalisée à partir d'une couche en matériau métallique, choisi en particulier de sorte à être difficile à oxyder. Le matériau est 20 typiquement un métal noble par exemple tel que le Pt, déposé sur la couche isolante 4. La couche en matériau métallique a une épaisseur qui peut être comprise par exemple entre 5 et 50 nm, cette épaisseur étant adaptée en fonction de la résistance que l'on souhaite conférer à la zone de contact 6. La zone de contact 6 est ici recouverte par une couche 8 de préférence 25 isolante, et par exemple à base de 5i02 ou en nitrure de silicium ou bien en oxynitrure de silicium. La couche isolante 8 a une épaisseur qui peut être comprise par exemple entre 5 et 30 nm, typiquement de l'ordre de 10 nm et peut être formée dépôt, par exemple selon une technique de CVD ou PECVD. 7 Sur la couche isolante 8, on forme une couche de matériau 10 de grille, par exemple un matériau tel que du Si ou du Ge ou du SiGe, le matériau de grille étant typiquement déposé sous forme amorphe ou bien de matériau polycristallin. Le matériau 10 de grille est par exemple déposé par une technique CVD ou PECVD ou bien par une 5 technique d'évaporation assistée par faisceau d'électrons. Le matériau 10 peut être dopé in situ, autrement dit lors du dépôt ou bien par une implantation. Un recuit thermique de recristallisation du matériau de grille peut être également prévu. Le transistor étant prévu pour comporter une structure de canal verticale, l'épaisseur de matériau 10 de grille déposée correspond dans cet exemple à la longueur de grille de la structure réalisée. 10 L'épaisseur de matériau de grille peut être prévue par exemple entre 10 nm et 100 nm, par exemple de l'ordre de 30 nm. La figure 1B illustre une étape de formation d'un bloc 10a de grille dans le matériau 10, par exemple par photolithographie et gravure. On peut ensuite former une couche 12 isolante, recouvrant ici les flancs 15 latéraux et le dessus du bloc de 10a de grille. Cette couche isolante 12 est par exemple en oxyde de silicium ou en nitrure de silicium ou bien en oxynitrure de silicium. La couche isolante 12 peut être prévue avec une épaisseur comprise par exemple entre 5 et 50 nm et peut être formée par dépôt, en particulier un dépôt de type CVD ou bien PECVD. On réalise ensuite un ou plusieurs trous traversant le bloc 10a de grille 20 afin de définir un ou plusieurs emplacements pour une structure de canal. Dans l'exemple illustré sur la figure 1D, un trou 21 dévoilant la zone 6 de contact de source ou de drain est réalisé à travers l'épaisseur du bloc de grille 10a. La zone 6 de contact est de préférence non-gravée de sorte que le trou 21 se situe au niveau d'une face supérieure de la zone de contact 6. 25 Ce trou 21 peut être formé avec une dimension critique encore appelée diamètre D (dimension mesurée parallèlement au plan [0 ;x ;y] d'un repère [0 ;x ;y ;z]) compris par exemple entre 10 et 40 nm. Par « dimension critique » on entend la plus petite dimension d'un motif mesurée dans le plan (i.e. parallèlement au plan [0 ;x ;y]) hormis sa hauteur ou épaisseur (la hauteur ou l'épaisseur étant ici une dimension 30 mesurée parallèlement à l'axe z). Le trou 21 peut avoir une section transversale 8 (autrement dit une section prise parallèlement au plan principal du substrat et donc parallèle au plan [0 ;x ;y ]) de forme circulaire ou bien ou hexagonale ou rectangulaire ou ellipsoïdale. Pour obtenir un tel trou 21 on peut former un masque dur reproduisant le motif du trou, ce masque dur pouvant être lui-même structuré à l'aide d'un masquage 5 par exemple en copolymère à bloc et une technique de gravure à l'aide d'un faisceau d'électrons ou par lithographie optique utilisant un rayonnement UV ou EUV (extreme UV), ou par une autre technique de transfert de motifs telle qu'une technique de type nano-imprint lors de laquelle des motifs sont typiquement formés en appliquant un moule d'embossage. 10 Ensuite, on peut procéder à un élargissement de portions 21a, 21c du trou 21 situées dans les couches 12 et 8 respectivement situées sur le bloc de grille 10a et sous le bloc de grille 10a. Une portion 21b de trou traversant le bloc 10a de grille peut être quant à elle conservée telle quelle ou avec une section transversale Si plus faible que celle S2 des portions 21a, 21b situées respectivement à l'embouchure et au fond du 15 trou 21. La figure 1E illustre un exemple d'agencement du trou 21 obtenu une fois cette étape d'élargissement mise en oeuvre. Les portions 21a, 21c ont, après cette étape d'élargissement, une section transversale supérieure et donc une dimension critique dc2 (encore appelé 20 diamètre dc1) supérieure à la dimension critique (ou diamètre) dc1 de la portion centrale 21b qui s'étend à travers le bloc de grille 10a. Une manière de réaliser l'élargissement des portions 21a, 21c de trou 21 est d'effectuer une gravure sélective des couches 12 et 8 respectivement situées sur le bloc de grille 10a et sous le bloc de grille 10a. Lorsque les couches 12, 8 sont en Si02, une 25 telle gravure peut être effectuée par exemple à l'aide de HF. L'empilement peut être protégé pendant cette gravure par un masque (non représenté) par exemple par le masque dur utilisé pour réaliser le trou 21. La figure 1F montre une étape ultérieure de formation d'une couche 23 diélectrique de grille, notamment au niveau de zones du bloc 10a de grille formant les 30 parois de la portion 21b de trou traversant le bloc 10a de grille. 9 Une manière de réaliser ce diélectrique de grille est de réaliser une oxydation du bloc 10a de grille, en particulier lorsque celui-ci est en polysilicium ou en polySiGe, ou en polyGe. La formation de la couche 23 de diélectrique de grille conduit à un rétrécissement de la portion centrale 21b du trou 21 traversant le bloc 10a de grille. Le 5 rétrécissement peut être tel qu'une portion centrale 21b du trou 21 a une dimension critique dci de l'ordre de plusieurs nanomètres et en particulier inférieure à 10 nm. Par exemple, une portion centrale 21b de l'ordre de 6 nm peut être obtenue. Le fait de prévoir la zone de contact 6 en métal noble, par exemple en Pt, permet avantageusement d'éviter une oxydation de cette zone lors de l'oxydation du 10 bloc 10a de grille. On évite ainsi d'avoir à retirer du diélectrique de grille sur la zone de contact 6 et on peut produire de cette manière un contact de meilleure qualité. Sur la figure 1G une étape de remplissage du trou 21 par un matériau 25 à base de semi-métal est illustrée. Le matériau déposé est en particulier du bismuth ou un alliage à base de bismuth. Un alliage à base de bismuth et d'étain, ou de bismuth et 15 d'antimoine ou bien de bismuth et d'arsenic peut être par exemple mis en oeuvre. Le matériau 25 peut être dopé, par exemple au bore ou au gallium, ou à l'étain, ou au tellure. Avantageusement, on prévoit un semi-métal non dopé. On forme ainsi une structure 26a de canal dans la portion centrale 21b du trou qui s'étend à travers le bloc 10 de grille et des régions 26a, 26c de source et de 20 drain respectivement dans les portions élargies 21a, 21c du trou 21. Les dimensions de la structure 26a en particulier sa section transversale ou sa dimension critique dci, sont prévues inférieures à un seuil prédéterminé de sorte que la structure 26a en semi-métal se comporte comme une structure semi-conductrice. Ce seuil prédéterminé dref dépend du semi-métal de remplissage. Par exemple lorsque le matériau 25 de remplissage est du 25 bismuth on prévoit avantageusement une dimension critique dc1 inférieure à 15 nm à température ambiante. Pour obtenir une région de canal semi-conductrice on prévoit ainsi la dimension de la portion centrale 21b du trou 21 et l'épaisseur du diélectrique de grille 23 inférieures à une valeur prédéterminée qui dépend dudit seuil dref évoqué précédemment. Pour établir un tel seuil on peut évaluer la résistance du nanofil en 30 fonction de la température. Si la résistance augmente avec la température, le matériau se 10 comporte comme un (semi) métal. Si la résistance décroit quand on augmente la température, il 'agit d'un semi-conducteur. La mesure est répétée sur des nano-fils de diamètres différents. Le document de Zhibo Zhang et al., « Electronic transport properties of single-crystal bismuth nanowire arrays », PHYSICAL REVIEW B VOLUME 61, NUMBER 7 5 15 FEBRUARY 2000-1, p. 8450] présente par exemple une telle méthode. Pour du BiSb, un tel seuil est par exemple de l'ordre de 65 nm, d'après « Semi-metal-semiconductor transition in Bil_xSbx alloy nanowires and their thermoelectric properties », Yu-Ming Lin, O. Rabin, S. B. Cronin, Jackie Y. Ying, and M. S. Dresselhaus, Appl. Phys. Lett. 81, 2403 (2002); doi: 10.1063/1.1503873] et "Transport 10 properties of alloy nanowires synthesized by pressure injection", Appl. Phys. Lett. 79, 677 (2001) de Yu-Ming Lin, S. B. Cronin, O. Rabin, Jackie Y. Ying, and M. S. Dresselhaus. Les dimensions des régions 26a, 26c et en particulier leur section ou dimension critique dc2 sont quant à elles prévues plus importantes de sorte que les régions 26a, 26c ont un comportement conducteur qui peut être proche de celui d'un 15 métal. On prévoit la dimension critique dc2 telle que dc1 1) à base de bismuth sont superposés. Un exemple de topologie (« layout » selon la terminologie anglo-saxonne) des contacts 29, 83 de drain et de grille d'un transistor à base de bismuth du type de ceux décrits précédemment est donné sur la figure 4A. Comme dans les exemples 20 précédemment donnés, le transistor est muni d'une structure de canal 26a sous forme d'un barreau ou d'un nano-fil vertical qui traverse un bloc 10a de grille. On peut en variante prévoir une structure de canal 26a sous forme d'une pluralité de nano-fils 116 parallèles traversant le bloc 10a de grille. Ainsi, dans l'exemple de réalisation particulier illustré sur la figure 4B, 36 nano-fils ou barreaux 116 25 verticaux sont répartis dans une zone du bloc 10a de grille, de forme rectangulaire, en particulier carrée de dimensions X1*Y1 (dimensions mesurées parallèlement au plan [O; x; y]) par exemple de l'ordre de 150nm*150nm. REVENDICATIONS1. Procédé comprenant : - formation d'un empilement comprenant une première zone (6) de contact, de source ou de drain de transistor, et une première couche (8) sur cette première zone (6) de contact, - formation sur cet empilement d'un bloc (10a) de grille et d'une deuxième couche (12) sur ce bloc (10a) de grille, - réalisation d'au moins un trou (21), traversant la deuxième couche (12), le bloc (10a) de grille et la première couche (8), de sorte à dévoiler la première zone (6) de contact, le trou (21) étant réalisé de sorte à avoir une première portion (21a) et une deuxième portion (21c) respectivement dans la première couche (8) et la deuxième couche (12) chacune ayant une section plus importante que celle d'une troisième portion (21b) du trou (21) située dans le bloc (10a) de grille, - remplissage du trou (21) à l'aide d'un matériau donné (25) à base de semi-métal tel que le bismuth de sorte à former une région de source (26a) ou de drain (26c) dans la première portion, une région de canal (26b) dans la troisième portion, une région de drain ou de source dans la deuxième portion, la région de canal ayant une section transversale plus faible que celle des régions de source et de drain. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre, après formation du trou (21) et préalablement à un remplissage du trou à l'aide du matériau donné (25) : formation d'un diélectrique (23) de grille dans le trou (21) et sur le bloc (10a) de grille par au moins une oxydation du bloc de grille. 3. Procédé selon la revendication 2, la première zone (6) de contact étant à base d'un matériau insensible à l'oxydation du bloc de grille, en particulier un métal noble tel que le Platine. 16 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le matériau donné (25) est à base de bismuth avantageusement non-dopé et dans lequel, après remplissage, on effectue un recuit de recristallisation, en particulier à une température supérieure à 271.4 °C, du matériau donné (25). 5 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel préalablement au recuit de recristallisation on forme des plots de connexion (35,36) par réalisation d'ouvertures (32, 33) dévoilant respectivement le bloc (10a) de grille et la zone de contact (6) puis on effectue un remplissage des ouvertures (32, 33) à l'aide d'au moins un 10 matériau conducteur (34). 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le bloc (10a) de grille comporte un gradient de dopants et dans lequel le trou (21) réalisé par gravure du bloc de grille comporte une forme évasée. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la formation de la première portion (21a) et de la deuxième portion (21c) de section plus importantes que la troisième portion (21b) comprend une gravure sélective de la première couche (8) et de la deuxième couche (12) vis-à-vis du bloc de grille (10a). 8. Transistor à canal vertical comprenant: - un bloc (10a) de grille, - une structure en un matériau donné (25) à base de bismuth traversant ce bloc de grille, 25 la structure comportant une région de canal s'étendant à travers le bloc de grille et des régions de source et de drain de part et d'autre de la région de canal et du bloc de grille, les régions de source et de drain ayant une section transversale plus importante que la section transversale de la région de canal, - une zone de contact de source et disposée contre la région de source à 15 20 base de bismuth 17 - une zone de contact de drain disposée contre la région de source à base de bismuth. 9. Transistor selon la revendication 8, la région de canal comportant 5 des portions traversant le bloc de grille (561, 562, 461, 463) de forme évasée et disposées tête-bêche. 10. Transistor selon la revendication 8, la région de canal comportant une portion de forme évasée entre une première face (10') et une deuxième face (10") du 10 bloc (10a) de grille. 11. Transistor selon l'une des revendications 8 à 10, la région de canal étant formée d'une pluralité de nano-fils (116) à base de bismuth. 15 12. Dispositif comprenant : - au moins un premier transistor (T1) selon l'une des revendications 8 à 11, et - au moins un deuxième transistor (T2) selon l'une des revendications 8 à 11, le premier transistor et le deuxième transistor étant superposés. 20 13. Dispositif selon la revendication 12, le premier transistor et le deuxième transistor ayant une électrode commune (96). 14. Dispositif selon la revendication 12, le premier transistor étant 25 disposé entre des lignes conductrices (81, 82) d'une première paire de lignes conductrices, le deuxième transistor étant disposé entre des lignes conductrices (82, 83) d'une deuxième paire de lignes conductrices.