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silicon
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hydrogen
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nickel-chromium
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Se
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gold
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aluminium
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Generic
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METAL
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Gene Or Protein
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Etre
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Apte
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Tre
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Appa
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Physical
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de 20 cm
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de 8 cm
(1)
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8 cm
(1)
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de 0,1 torr
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de 20 W
(1)
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1 %
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1019 cm
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1016 cm
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2518810A1
Family ID 2432644
Probable Assignee Morin Francois
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title PROCEDE DE FABRICATION DE TRANSISTORS EN COUCHES MINCES EN
silicon SUR SUBSTRAT ISOLANT
Abstract
_________________________________________________________________
<P>PROCEDE DE FABRICATION DE TRANSISTORS EN COUCHES MINCES EN
silicon.</P><P>SELON L'INVENTION, ON DEPOSE SUR UN SUBSTRAT ISOLANT
10, UNE COUCHE DE METAL 12 QUE L'ON PHOTOGRAVE, ON DEPOSE
SUCCESSIVEMENT UNE COUCHE DE silicon 16 SUR L'ENSEMBLE, UNE COUCHE DE
SILICE 20, UNE COUCHE DE METAL DE GRILLE 24 ET ON PHOTOGRAVE LES TROIS
DERNIERES COUCHES.</P><P>APPLICATION A LA REALISATION DE COMPOSANTS
ELECTRONIQUES DE GRANDE SURFACE.</P>
Description
_________________________________________________________________
La presente invention a pour objet un procede
de fabrication de transistors en couches minces en si-
licium sur substrat isolant Elle trouve une applica-
tion notamment a la realisation de composants electro-
niques de grande surface De tels composants sont uti- lises dans la
realisation d'ecrans plats d'affichage,
de retines electroniques, de capteurs actifs, de memoi-
res electroniques, etc Un transistor en couches minces (T C M en
abrege) est un transistor a effet de champ a grille
isolee Il s'apparente au transistor MOS (Metal-Oxyde-
Semiconducteur) avec cette difference qu'il est realise sur un
substrat amorphe et non sur une plaquette de silicon monocristallin
Comme ils ne sont plus limites par la taille du substrat cristallin,
les circuits a
T.C M peuvent presenter de tres grandes dimensions.
Le T C M sur substrat isolant a ete etudie par trois voies
differentes: Voie 1: Avant l'avenement de la technologie MOS sur
silicon, un nombre important de travaux rap-
portaient la fabrication de T C M a base de composes binaires (II-VI)
comme Cd S et Cd Se Il s'agissait essentiellement de semiconducteurs
polycristallins en films minces Le T C M.
etait obtenu par masquage sous vide Des va-
riantes recentes ont ete proposees incluant des etapes de photogravure
Une de ces variantes
consiste a effectuer un depot uniforme de qua-
tre couches, respectivement de materiaux iso-
lant, semiconducteur, isolant et metallique
puis a photograver les trois dernieres couches.
Voie 2: Une deuxieme approche, qui date de moins de 5 ans, utilise des
monocristaux de silicon sur substrat amorphe, dans le but d'augmenter
la compacite des circuits integres et si possible
de passer en trois dimensions La recristalli-
sation du silicon est effectuee par laser et divers artifices sont
utilises pour obtenir un monocristal ou un polycristal a gros grains.
Une fois le silicon recristallise on utilise pour la fabrication du
transistor un processus
analogue a la technique MOS, a savoir: implan-
tation, diffusion, oxydation etc Dans tous
les cas, il s'agit d'un processus a haute tem-
perature, incompatible avec l'utilisation d'un substrat de grande
dimension peu cher comme le
verre Le champ d'application est donc res-
treint a la microelectronique.
Voie 3: Recemment, des travaux rapportent la realisa-
tion de T C M en silicon amorphe hydrogen (a Si H), pour la
realisation d'ecrans plats a cristaux liquides Ces T C M sont realises
par etapes faisant intervenir des photo-gravures, a partir d'un depot
de a Si H a basse temperature
( 250 300 C) Or, a cette temperature, le si-
licium possede un fort taux d'hydrogen ( 10 A
%), ce qui nuit a la recristallisation even-
tuelle du silicon Cette rectistallisation est necessaire si l'on veut
realiser l'ensemble
des circuits de commande de l'ecran, en parti-
culier les registres a decalage peripheriques
(circuit d'adressage du signal video).
Ces trois techniques presentent en outre des inconvenients qui sont
les suivants: Voie 1: les semiconducteurs composes (II-VI) sont peu
fiables, la technique de masquage sous vide est limitee en resolution
et en souplesse, et les procedes par photogravure sont complexes On
pourra consulter a ce sujet, l'article de LUO publie dans "IEEE Trans
on Electr Devices",
vol ED 27, n* 1, Janvier 1980.
Voie 2: les procedes a haute temperature sont limites aux substrats
nobles (et chers) comme la silice (cf l'article D K BIEGELSEN et al
publie dans
*Appl Phys Lett" 38 ( 3), ler Fevrier 1981).
Voie 3: la structure proposee est assez complexe, et
il y a incompatibilite avec la recristallisa-
tion du silicon On pourra consulter a ce su-
jet l'article de MATSAMURA publie dans les "Proceedings of the 12th
Conference on Solid
State Devices", Tokyo 1980 publies dans "Japa-
nese Journ of Appl Phys " vol 20 ( 1981)
supp 20 E, p 311-314.
Le but de l'invention est justement de reme-
dier a ces inconvenients en proposant un procede de fabrication
simplifie de T C M en silicon amorphe ou polycristallin, sur un
substrat de grande dimension,
par exemple en verre.
Grace a l'invention, des T C M en silicon amorphe et en silicon
polycristallin ont ete obtenus sur un substrat de verre, avec des
caracteristiques
electriques comparables voiresuperieures a celles ob-
tenues par les voies 1 et 3 En outre, un cizcuit integre compiexe
(comprenant jusqu'a 105 T C M) peut etre obtenu sur une surface de ldm
2 Les
T C M en silicon amorphe (a Si) et polycristallin (po-
ly Si) obtenus par le procede de l'invention ont un rap-
port courant de conduction/courant de blocage de gold-
dre de 104 avec le silicon amorphe, contre 103 avec le
silicon polycristallin Dans ce dernier cas, la mobi-
lite des porteurs, mesuree par effet de champ, est de l'ordre de 20 cm
2/Vs (courant source-drain de 100 VA pour un canal 50 x 100 itn 2) Ces
valeurs peuvent encore
etre ameliorees, notamment en optimisant la recristal-
lisation par laser (ou par tube eclairs) Cependant, mime sans cette
optimisation, les T C M en a Si obtenus sont bien adaptes a la
commande des ecrans a cristaux liquides.
2518810-
Un circuit complexe peut etre obtenu,-.
comprenant 320 x 320 T C M, sur une eurface de 8 cm x 8 cm La matrice
obtenue constitue l'une des faces d'une cellule a cristaux liquides,
l'autre face etant constituee par une lame de verre revetue d'une
couche conductrice transparente Il est possible d'in-
tegrer les circuits -d'adressage du signal video a la peripherie de la
matrice de transistors Ces circuits
sont constitues de transistors en silicon polycristal-
lin L'un des interets du procede de fabrication de l'invention est
justement de permettre la realisation
simultanee de T C M en a Si et en poly Si sur un subs-
trat de verre -
Tous ces resultats sont obtenus selon l'in-
vention par un procede qui est caracterise en ce qu'il comprend les
operations suivantes: depot sur un substrat isolant d'une couche d'un
metal apte a former un siliciure au contact de silicon, photogravure
de cette premiere couche de metal pour definir les sources, les drains
et les canaux pour les futurs transistors et diverses connexions entre
transistors, depot d'une couche de silicon par plasma en phase
gazeuse reactive, cette operation provoquant l'appa-
rition d'une couche de siliciure au contact avec le metal de la couche
photogravee,
depot d'une couche de silice par plasma en phase ga-
zeuse reactive, depot d'une couche conductrice par plasma en phase
gazeuse reactive, photogravure de l'ensemble couche conductrice-couche
de silice-couche de silicon, sans attaque du sili-
ciure qui recouvre la couche de metal photogravee.
Les caracteristiques de l'invention apparai-
tront mieux apres la description qui suit d'un exemple
de realisation donne a titre explicatif et nullement
limitatif Cette description se refere a des dessins
annexes, qui representent differentes etapes (a) a (i) du processus de
realisation d'un transistor selon le procede de l'invention. Les
differentes operations constituant le procede de l'invention sont,
dans l'exemple illustre, les suivantes: Operationsn l: Preparation
d'un substrat de verre, (par exemple de la marque Corning 7059);
nettoyage physico-chimique classique; sur la figure (a) ce substrat
porte la
reference 10.
Operation n 2: depot sur tout le substrat d'une couche 12 de metal,
d'epaisseur comprise entre 500 et 2000 A et de preference voisine de
1000 A; ce metal doit servir aux con-
tacts source et drain; un alliage nickel-chromium peut etre utilise,
qui forme un siliciure a basse temperature
( 400 C) (b).
Operation n 3: la couche de Nicr est photogravee pour
definir le canal 14 des futurs transis-
tors et les diverses connexions entre les transistors; cette operation
necessite un premier masque et conduit au produit
represente en (c).
Operation n 4: dep 8 t d'une couche de silicon par
plasma en phase gazeuse reactive (CVD-
plasma) a une temperature comprise entre 4000 et 600 C et de
preference voisine de 500 C; une couche de siliciure 18 se
forme a la surface de la couche 12 photo-
gravee. Operation n 5: depot d'une couche de silice 20 par la Operatic
Operatic Operatic Operatic meme methode, a la meme temperature ou a
une temperature plus basse (e).
on nc 6: dans le cas o on veut obtenir du sili-
cium polycristallin, l'echantillon est alors soumis au rayonnement 22
d'un laser ou d'un tube eclairs, soit in situ (de
preference) soit a l'exterieur du reac-
teur de depot (f).
on n 7: depot d'une couche metallique de grille
24, par exemple en aluminium ou en sili-
cium tres dope, (par CVD plasma), sur
toute la surface de l'echantillon (g).
n n 8: a l'aide d'un second masque on realise
une photogravure du sandwich grille 24-
isolant 20-semiconducteur 16, sans atta-
quer la couche de siliciure 18 formee sur le nickel-chromium (h);
cette operation
peut etre realisee par voie humide ou se-
che; dans cette derniere solution la se-
lectivite est facile a realiser La gril-
le de silicon permet d'effectuer une sous gravure controlee du
silicon, ce
qui diminue le courant de fuite grille-
drain et grille-source.
)nn 9: le composant est soumis a une post-hy-
drogenation (symbolisee par les fleches
26 sur la figure i) pour diminuer le nom-
bre de defauts et ameliorer les interfa-
ces Cette operation s'effectue dans un plasma d'hydrogen a 4000 C La
pression d'hydrogen est par exemple de 0,1 torr, la puissance RF de 20
W L'hydrogenation est complete au bout de 15 mn Bien que les hydrogen
introduites
dans le silicon au cours de cette opera-
tion soient faibles (environ 1 %), les proprietes electroniques s'en
trouvent
fortement ameliorees: la photoconducti-
vite apparait, la mobilite est augmentee de plus d'un facteur 10, le
nombre de -laisspendatesdusfiicimpassede 1019 cm 3 a
quelques 1016 cm-3.
Operation n" 10: le composant est ensuite passive par une couche de Si
O 2 deposee par CVD plasma
% O et des fenetres sont eventuellement rea-
lisees pour effectuer les diverses con-
nexions necessaires a la realisation du
circuit (non represente).
On observera que le procede de l'invention est compatible avec les
procedes de recristallisation
du silicon par rayonnement optique Si cette recris-
tallisation est localisee, on peut obtenir a la fois des transistors
en silicon amorphe et des transistors en silicon polycristallise sur
le meme substrat de verre Cette faculte est particulierement
interessante
dans la realisation d'ecrans plats d'affichage a elec-
tronique de commande integree.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 Procede de fabrication de transistors en couches minces sur substrat
isolant, caracterise en ce qu'il comprend les operations suivantes:
dlpot sur un substrat isolant ( 10) d'une couche ( 12) d'un metal apte
a former un siliciure au contact de silicon, photogravure de cette
premiere couche de metal pour definir des sources, des drains et des
canaux pour les futurs transistors et diverses connexions entre
transistors, depot d'une couche de silicon ( 16) par plasma en phase
gazeuse reactive, cette operation provoquant l'apparition d'une couche
de siliciure ( 18) au con- tact avec le metal de la couche ( 12)
photogravee, depot d'une couche de silice ( 20) par plasma en phase
gazeuse reactive,- depot d'une couche conductrice ( 24) par plasma en
phase gazeuse reactive, photogravure de l'ensemble couche conductrice
( 24) couche de silice ( 20), couche de silicon ( 16) sans attaque du
siliciure ( 18) qui recouvre la couche de metal photogravee,
2 Procede selon la revendication 1, caracte- rise en ce qu'il comporte
en outre les operations sui- vantes: posthydrogenation de l'ensemble
dans un plasma d'hy- drogene, passivation de l'ensemble par une couche
de silice deposee par plasma en phase gazeuse reactive.
3 Procede selon la revendication 1, caracte- rise en ce que la couche
conductrice ( 24) est en metal.
4 Procede selon la revendication 3, caracte- rise en ce que la couche
conductrice ( 24) est en alumi- nium.
5 Procede selon la revendication 1, caracte- rise en ce que la couche
conductrice ( 24) est en sili- cium tres dope et est obtenue par
plasma en phase ga- zeuse reactive.
6 Procede selon la revendication 1, caracte- rise en ce que le metal
de la couche ( 12) deposee sur le substrat ( 10) est en alliage
nickel-chromium.
7 Procede selon la revendication 6, caracte- rise en ce que la couche
( 12) de nickel-chromium a une epaisseur comprise entre 500 A et 1500
A et de prefe- O rence voisine de 1000 A;
8 Procede selon la revendication 1, caracte- rise en ce que la couche
de silicon ( 16) a une epais- O O seur comprise entre 3000 A et 7000 A
et de preference o voisine de 5000 A.
9 Procede selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 8,
caracterise en ce que l'operation de depot de silicon s'effectue a une
temperature comprise entre 350 C et 650 e C et de preference a une
temperature voisine de 500 C.
10 Procede selon l'une quelconque des reven- dications 1 a 9,
caracterise en ce que l'operation de dep 8 t de la couche de silice (
20) est suivie d'une ope- ration d'insolation de l'ensemble par un
rayonnement optique apte a provoquer une recristallisation du sili-
cium ( 16).
11 Procede selon la revendication 2, carac- terise en ce que la
posthydrogenation est effectuee dans un plasma d'hydrogen a une
temperature comprise entre 300 C et 5000 C et de preference voisine de
400 C.
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