FR2797349A1 - Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre - Google Patents
Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre Download PDFInfo
- Publication number
- FR2797349A1 FR2797349A1 FR9910116A FR9910116A FR2797349A1 FR 2797349 A1 FR2797349 A1 FR 2797349A1 FR 9910116 A FR9910116 A FR 9910116A FR 9910116 A FR9910116 A FR 9910116A FR 2797349 A1 FR2797349 A1 FR 2797349A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- silicon
- layer
- ions
- tunnel oxide
- micro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N tribenuron methyl Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1S(=O)(=O)NC(=O)N(C)C1=NC(C)=NC(OC)=N1 VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 title 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 62
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 51
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 51
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 30
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 30
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 23
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 20
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 19
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 16
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 12
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 7
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 6
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 4
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 4
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000010301 surface-oxidation reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 2
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 9
- -1 Ars + to Ar12 + Chemical class 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 5
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 3
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005478 sputtering type Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/7613—Single electron transistors; Coulomb blockade devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Non-Volatile Memory (AREA)
Abstract
La présente invention vise à obtenir des composants et dispositifs quantiques à micro-îlots homogènes en dimension, en structure et en densité.Un composant à éléments mono-électron du type de l'invention comporte une source (28) et un drain (29) réalisés dans un substrat semi-conducteur (27), sur lequel est déposé une couche d'oxyde tunnel (24) au regard d'une grille (25) disposée à distance entre la source et le drain. Les éléments mono-électrons sont des micro-îlots en forme de plots sensiblement cylindriques répartis de manière uniforme dans un matériau diélectrique (23) disposé entre l'oxyde tunnel (24) et la grille (25), chaque micro-îlot comportant au moins une couche mince de matériau semi-conducteur (21) coiffée d'une couche mince de matériau diélectrique (22) en contact avec la grille.L'invention concerne également un procédé de réalisation de tels composants et un réacteur multichambres de mise en oeuvre.
Description
<B>COMPOSANT À ÉLÉMENTS MONO-ÉLECTRON ET DISPOSITIF</B> <B>QUANTIQUE, AINSI QUE PROCÉDÉ INDUSTRIEL DE</B> RÉALISATION <B>ET RÉACTEUR</B> MULTICHAMBRES <B>DE MISE EN</B> OEUVRE L'invention concerne des composants à éléments mono-électrons et les dispositifs quantiques à micro-îlots conducteur formant de tels composants, ainsi qu'un procédé industriel de réalisation de tels composants et un réacteur multichambres pour sa mise en ceuvre.
L'invention s'applique au domaine de la micro- électronique sur substrat de silicium, et plus particulièrement à la fabrication de composants élémentaires multifonctionnels, tels que les MOS (initiales de Métal -Oxyde-Semiconducteur) de différents types (C-MOS, MOS à effet de champ, MOS à jonction, etc.), pouvant servir par exemple de transistors dans les circuits logiques ou de points mémoires dans les mémoires à très haute densité d'intégration.
A titre d'exemple, tel qu'illustré à la figure 1, un transistor de type MOS se présente sous la forme d'un substrat de silicium 10 comportant deux zones, 11 et 12, fortement dopées n+, la source et le drain, d'une épaisseur de l'ordre de 1 à 3 um. Entre ces électrodes polarisées, le courant circule dans une zone 13 du substrat, appelée canal, le transistor étant isolé des autres composants par des zones diélectriques 14, dites oxydes de champ. Le substrat est surmonté d'une grille 15 de régulation et de contrôle du courant.
La grille est déposée sur un oxyde 16, dit oxyde de grille, lui-même déposé sur le canal 13. L'oxyde de grille est constitué d'une couche d'oxyde de silicium ou de métaux réfractaires, par exemple titane ou tantale. L'oxyde de grille est réalisé classiquement par oxydation thermique du silicium. Afin d'atteindre de plus hautes densités d'intégration des circuits, la miniaturisation impose une réduction de largeur de grille de tels composants.
Cependant, s'il est technologiquement possible de diminuer la largeur de grille jusqu'à atteindre des dimensions inférieures à 100 nm, il a été confirmé que la fonctionnalité de tels composants à grille réduite est sensiblement dégradée. En effet, pour une largeur de grille inférieure à une valeur critique, des électrons, appelés électrons balistiques , traversent le canal selon une balistique non conventionnelle.
Afin de remédier à ce problème, une nouvelle génération de dispositifs élémentaires, appelés dispositifs quantiques ou mono-électron, est apparue. Un tel élément se compose d'un micro-îlot conducteur, de dimension de l'ordre de 1 à quelques nanomètres, entouré d'un matériau diélectrique. Cet îlot est en liaison avec le substrat semi-conducteur à travers une barrière formée par une couche d'oxyde, appelée oxyde tunnel, d'épaisseur de l'ordre du nanomètre ou moins.
Dans ces conditions, lorsqu'un champ électrique est induit dans l'îlot, un seul électron est introduit dans ce dernier. En effet, la mécanique quantique montre que, les dimensions relatives à l'îlot et à l'oxyde tunnel étant telles que définies, il n'est alors pas possible d'introduire plus d'un électron dans l'îlot du fait d'un blocage dit blocage de Coulomb .
I1 est alors possible de réaliser une fonction transistor ou un point mémoire par passage réversible entre la présence et l'absence de la charge élémentaire - en maintenant le champ électrique à un seuil minimal, la charge induite par l'électron est conservée et détectée par un canal amplificateur ; - en annulant le champ, la charge induite est réduite à zéro par passage de l'électron vers le substrat à travers l'oxyde tunnel.
Des recherches ont été entreprises afin de rendre viable les composants utilisant ce type de dispositif quantique : par exemple par formation d'un ensemble de grains de silicium polycristallin, disposés dans un oxyde tunnel s'étendant entre deux conducteurs formant la source et le drain, tel que décrit dans l'article de W. Chen et al, paru dans le journal Applied Physics Letter 66 (24), le 12 Juin 1996, ou d'un ensemble d'îlots noyés dans un oxyde épais s'étendant entre une grille et un oxyde tunnel, comme présenté dans l'article de H.I.Hanafi, du journal IEEE, Transaction on Electron Devices, vol.43, n 9, 09, 1996.
Les composants obtenus présentent certes les qualités attendues, notamment en terme de rapidité et de consommation. Cependant, la reproductibilité des îlots ou grains réalisés n'est en aucun cas assurée car leurs caractéristiques physiques restent incontrôlables lors de leur formation. En effet, ces îlots sont obtenus par des procédés de dépôt sous vide, à partir de couches ultra minces, de tels procédés fournissant des micro-cristallites de taille et de densité aléatoire. Ainsi, il n'est pas assuré d'obtenir la charge ou l'absence de charge devant être induite dans ces structures avec un taux de fiabilité suffisant. D'autres procédés ont été utilisés pour obtenir des micro-îlots contrôlables, par exemple des procédés par lithographie à très haute résolution, tel que celui divulgué dans l'article de T. Kdster et al, paru dans European Microscopy and Analysis, 03, 1999, qui utilisent des faisceaux d'électrons. Cependant, ces procédés restent des procédés expérimentaux, non industrialisables en termes de rentabilité, de productivité et de coût, et qui ne peuvent être intégrés sous forme de spécifications industrielles.
La présente invention vise à pallier ces défauts, en particulier elle vise à obtenir des ensembles de micro-îlots homogènes en dimension, en structure et en densité par unité de surface, afin d'obtenir notamment un taux de fiabilité suffisant.
Pour atteindre ces buts, il est proposé des ensembles de micro-îlots régulièrement répartis, et formés d'au moins un matériau conducteur et d'un matériau diélectrique.
Plus précisément, l'invention a pour objet un composant à éléments mono-électron à micro-îlots conducteurs, comportant une source et un drain réalisés dans un substrat semi-conducteur, sur lequel est déposé une couche d'oxyde tunnel au regard d'une grille disposée à distance entre la source et le drain, et dans lequel les éléments mono-électrons sont des micro-îlots en forme de plots sensiblement cylindriques présentant des dimensions principales inférieures à 30 nm et répartis de manière uniforme dans un matériau diélectrique disposé entre l'oxyde tunnel et la grille, chaque micro-îlot comportant au moins une couche mince de matériau semi-conducteur coiffée d'une couche mince de matériau diélectrique en contact avec 1a grille.
On entend par dimensions principales la hauteur et le diamètre des micro-ilots, et par couche mince une couche d'épaisseur sensiblement constante inférieure à environ 10 nm.
Selon un mode de réalisation particulier, les micro-îlots comportent une couche de matériau conducteur, par exemple d'aluminium, de tungstène, de titane et/ou d'un autre métal réfractaire, couplée à une couche de semi conducteur, par exemple du silicium amorphe ou polycristallin. Selon des caractéristiques préférées, les dimensions principales des micro-ilots sont comprises entre 1 et 5 nm pour le diamètre et entre 5 et 20 nm pour la hauteur, et les couches minces entre 1 et 3 à 5 nm, l'oxyde tunnel et le matériau diélectrique sont constitués par de l'oxyde de silicium, et les micro-îlots formés de silicium amorphe ou polycristallin.
L'invention concerne également un procédé de réalisation de tels composants, comportant une étape de réalisation d'un oxyde tunnel d'épaisseur inférieure au nanomètre par oxydation superficielle d'un substrat de silicium, suivie des étapes successives suivantes - dépôt d'au moins une couche conductrice de silicium sur l'oxyde tunnel; - projection d'ions sous vide, de faible énergie et de densité comprise entre 10$ et 1014 ions /CM2.S, à la surface de la couche de silicium, couplée à une oxydation des zones élémentaires créées par l'interaction entre les ions et ladite surface ; - gravure ionique réactive et spécifique du silicium autour desdites zones élémentaires jusqu'à atteindre l'oxyde tunnel ; et - dépôt d'une couche diélectrique entre les micro-îlots. Selon des mode de réalisation particuliers - le dépôt de la couche de silicium sur l'oxyde tunnel est suivi d'un recuit de type flash , réalisé sous atmosphère d'hydrogène afin de ne pas appauvrir la proportion d'hydrogène dans la couche de silicium ; - l'oxyde tunnel est réalisé par interaction du substrat avec des ions de faible énergie, couplée à une oxydation du substrat ; - le dépôt de la couche de silicium est réalisé en phase vapeur de type LPCVD fortement dopé hydrogène, pour fournir une couche de silicium amorphe, ou bien par pulvérisation, de type sputtering sous atmosphère d'hydrogène, pour fournir une couche de silicium polycristallin sensiblement exempte de charges induites ; - le dépôt de la couche de silicium est précédé par le dépôt d'une couche métallique directement sur l'oxyde tunnel, la couche de silicium polycristallin étant ensuite déposée sur - la couche métallique comme précédemment ; - l'interaction ionique est effectuée entre une couche de silicium hydrogéné, amorphe ou polycristallin, et des ions de gaz rare moyennement chargés, tels que Ars+ à Ar12+, émis par une source d'ions de type ECR, et l'oxydation est réalisée ensuite par émission et comblement à l'aide de gaz oxygène des liaisons hydrogène pendantes, ouvertes par l'interaction; - l'interaction ionique est également oxydante et est effectuée entre une couche de silicium polycristallin et des ions oxydants, tels que 0+, ces ions étant également émis par une source d'ions de type ECR .
- la couche diélectrique est une couche de Si02, déposée par pulvérisation sous vide ou par LPCVD entre les micro-îlots, ce dépôt étant effectué après une phase d'oxydation douce du silicium réalisée par une interaction d'ions de faible énergie du type précédent, accompagnée d'un chauffage à une température inférieure à 500 C. Un autre objet de l'invention est un réacteur multichambres couplées à un sas de transfert pour la mise en oeuvre du procédé précédent. Ce réacteur comporte - une chambre d'oxydation du substrat de silicium pour former l'oxyde tunnel et réaliser l'oxydation douce du silicium gravé, - une chambre de dépôt de silicium à graver, - une chambre des moyens de recuit flash sous vide, - une chambre de génération d'ions à faible énergie équipée d'une source ECR et de moyens de contrôle de direction, densité et vitesse des ions, - une chambre de gravure du silicium par RIE, et - une chambre de dépôt d'une couche de Si02 par LPCVD ou pulvérisation cathodique, ou tout autre moyen oxydant connu de l'homme de l'art.
Selon des modes de réalisation particuliers, le silicium à graver est soit un silicium polycristallin soit un silicium amorphe hydrogéné ou polycristallin hydrogéné selon des méthodes connues. Dans le premier cas, la source de la chambre de génération d'ions émet des ions oxydants, par exemple des ions 0+. Dans le deuxième cas, cette source émet des ions de gaz rare, par exemple Are+, la chambre étant associée à une chambre supplémentaire d'oxydation du silicium par flux d'oxygène.
Selon une forme de réalisation particulière, une chambre supplémentaire d'oxydation douce du silicium par flux de gaz oxygène et chauffage modéré est prévue afin de reconstituer les zones élémentaires oxydées qui auraient pu être attaquées par les différentes phases de gravure.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, relative à un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement - la figure 1 (déjà décrite), une vue schématique en coupe d'un transistor MOS selon l'état de la technique ; - la figure 2, une vue schématique en coupe d'un exemple de composant à micro-îlots conforme à l'invention ; - la figure 3, une vue schématique de dessus d'une couche de silicium recouverte de zones élémentaires oxydées créées par l'interaction ionique selon l'invention ; et - la figure 4, une vue schématique en coupe de micro-îlots comportant une couche de silicium au cours de sa gravure par RIE .
Sur 1a vue en coupe de la figue 2, apparaît un exemple de structure d'un composant 20 à éléments mono- électron selon l'invention. Ces éléments sont des micro- îlots 21 formés de plots de silicium polycristallin sensiblement cylindriques, ayant environ 10 nm de hauteur et 3 nm de diamètre. Ces plots 21 sont surmontés d'une zone élémentaire oxydée 22 et sont enrobés dans une couche diélectrique 23 d'oxyde de silicium, disposée entre une couche mince d'oxyde tunnel 24 et une grille 25. L'ensemble de ces éléments est isolé d'autres composants par des oxydes de champ 26, et déposé sur un substrat de silicium 27 entre une source 28 et un drain 29.
Les micro-îlots sont uniformément répartis sur l'oxyde tunnel de sorte que, pour une largeur de grille de l'ordre de 100 nm, le nombre de micro-îlots par composant est d'environ une TRENTAINE .
Pour réaliser de tels composants, il convient d'abord de procéder à la formation de l'oxyde tunnel 24 sur le substrat de silicium 27. Cet oxyde tunnel, d'épaisseur inférieure au nanomètre, est obtenu par oxydation superficielle d'un substrat de silicium.
Dans l'exemple, cette oxydation est réalisée par interaction du substrat, préalablement hydrogéné selon les méthodes habituelles, avec des ions Are' de faible énergie, émis par une source de type ECR. Les ions ouvrent les liaisons hydrogène, puis les liaisons pendantes sont comblées par oxydation à l'aide de gaz oxygène. Ce type d'oxydation est décrite ci-après de façon détaillée en référence à la phase relative à la formation des zones élémentaires d'oxyde uniformément réparties sur une couche de silicium polycristallin. D'autres procédés d'oxydation connus peuvent être utilisés pour former l'oxyde tunnel, tels que l'oxydation thermique.
Une couche de silicium polycristallin hydrogéné, d'épaisseur environ égale à 20 nm, est déposée sur l'oxyde tunnel. Le dépôt est réalisé par tout moyen connu de l'homme de l'art, en particulier par pulvérisation sous vide ou par LPCVD. La couche est suffisamment épaisse pour présenter un caractère continu et homogène.
Le silicium polycristallin est préalablement hydrogéné par tout moyen connu, par exemple par plongée dans un bain d'acide fluorhydrique et d'ions ammonium. Il est également possible d'hydrogéner le silicium polycristallin lors de son dépôt en LPCVD ou par sputtering, par introduction de gaz hydrogène dans la chambre de dépôt.
Avant de procéder à la gravure de la couche de silicium, elle subit un recuit flash sous atmosphère d'hydrogène afin de conserver la proportion d'hydrogène incluse dans le silicium polycristallin, de réduire au minimum le taux de charges induites, et de faire grossir les grains. En effet, ce recuit permet d'augmenter la taille des grains de la couche et de diminuer les contraintes internes.
La couche de silicium hydrogénée est ensuite introduite dans une chambre d'oxydation interactive d'un réacteur à chambres multiples reliées par un sas. La chambre est conservée sous vide poussé, entre 10-6 et 10-11 mbar, par des moyens de pompage connus.
Cette chambre est équipé d'une source de faisceau d'ions Are+, connue de l'homme de l'art. Une source d'ions peut être une source à résonance cyclotronique électronique de type ECR (initiales de Electron Cyclotron Résonance en terminologie anglo- saxonne), les ions étant confinés dans un plasma chauffé par des ondes radiofréquence.
La source produit des ions à basse énergie cinétique, de quelques keV/q (q étant le nombre de charges par ion), généralement de 1 à 20 keV/q, 10 keV/q dans l'exemple de mise en ceuvre. L'énergie cinétique d'extraction est réglée par l'application d'une tension d'extraction, qui est égale à 10 kV dans le cas présent.
Les paramètres de réglage de la source sont par ailleurs ajustés pour fournir le débit d'ions souhaité, égal à environ 101z ions /cm2.s dans l'exemple de réalisation. Les dimensions du faisceau d'ions extrait sont également réglées par les moyens appropriés, connus de l'homme de l'art, pour définir, avec le débit, la densité du faisceau d'ions au niveau du substrat, c'est-à-dire le nombre d'ions par unité de surface et de temps.
Les ions extraits sont triés, suivant leur rapport masse/charge, par un aimant de tri associé à la source. Un scanner (analyseur en dénomination anglo- saxonne) à collection de charges contrôle la position du faisceau d'ions triés pour le diriger vers le substrat de silicium.
Les ions sont plus précisément sélectionnés par des moyens de sélection d'ions, constitués par un filtre de type passe-bande ou passe-haut à champ électrique, connu de l'homme de l'art, qui sélectionne les ions en fonction de leur énergie cinétique, les ions d'énergie égale à environ 10 keV/q étant sélectionnés dans cet exemple.
Un champ électrique de décélération ralentit les ions à l'approche de la surface de silicium jusqu'à atteindre une énergie cinétique proche de zéro. Ce champ électrique est produit au milieu d'un condensateur plan formé par une électrode et le substrat entre lesquels on applique une tension de décélération. Cette tension, réglée par un potentiomètre, est ajustée généralement entre 1 et 20 kV, 10 kV dans notre exemple, pour donner à chaque ion une énergie comprise entre quelques eV/q et 0.
Dans ces conditions, la majorité des interactions des ions avec le substrat a lieu à environ une dizaine d'Angstrbms au-dessus de la surface du substrat.
La densité des ions au niveau de la zone où ils interagissent avec la surface est contrôlée par le débit de la source d'ions et par les dimensions du faisceau dans cette zone. Le débit d'émission est réglé par les moyens appropriés, connus de l'homme de l'art, et le faisceau est focalisé au niveau de la zone d'interaction au moyen de lentilles électrostatiques unipolaires ou par l'utilisation de champs électriques ou magnétiques.
Les ions Argon approchant la surface de silicium polycristallin extraient les électrons des couches hydrogénées en surface, provoquant l'apparition de liaisons pendantes. Les ions Argon sont ensuite rétroréfléchis par répulsion électrostatique du fait de la création de charges électrostatiques positives en regard de ces ions lors de l'extraction des électrons.
L'oxydation se fait alors par transfert de la tranche supportant la couche de silicium dans une chambre à travers le sas, et introduction de gaz oxygène dans cette chambre sous vide. La pression partielle d'oxygène est comprise entre 10-5 et 10-9 mbar, égale à 10-' mbar dans l'exemple de réalisation. A chaque ouverture d'une liaison hydrogène, un comblement par de l'oxygène est réalisé dans ces conditions de pression.
La couche de Si02 formée a une épaisseur de l'ordre de 3 à 5 nanomètres. Le contrôle et la durée de l'oxydation sont réglés par le choix de la charge des ions Argon, +8 à +12, la densité de ces ions, de préférence de 101 à 1014 ions /cm2. s et la pression résiduelle. Dans l'exemple de mise en ceuvre le faisceau d'ions Ar+$ forme un courant d'intensité égale à 80 pA avec une section de 1 cm2, et la densité d'ions incidents s'élève à 1012 ions /cm2.s. Après une durée de projection d'ions d'environ 1 seconde, la densité d'impacts et donc de zones élémentaires d'oxydes créées est d'environ 1012 par cm2 . Dans ces conditions, l'oxydation se traduit par la formation de zones élémentaires correspondant aux points d'interaction de chaque ion Argon sans qu'il y ait superposition. Au contraire, comme illustré sur la vue de dessus de la figure 3, les zones élémentaires 30, sensiblement circulaires avec un diamètre environ égal à 1 à 2 nm, sont réparties uniformément à la surface de la couche de silicium 31. Le pourcentage de surface couverte par ces zones représente environ 1% de la surface totale.
Afin de former les éléments mono-électron, la couche de silicium polycristallin est gravée par attaque de cette couche à travers le masque -constitué par les zones élémentaires oxydées.
L'attaque de la couche est réalisée par gravure ionique réactive, appelée RIE (initiales de Reactive Ion Etching, en dénomination anglo-saxonne) dans une autre chambre du réacteur après transfert de la couche à travers le sas. Cette gravure, bien connue de l'homme de l'art ,permet d'avoir une sélectivité pouvant atteindre 100 entre le silicium et le Si02, c'est-à-dire que le silicium est gravé 100 fois plus vite que son oxyde.
La gravure du silicium est quasiment auto- stoppante car elle s'arrête d'elle-même lorsqu'il n'y a plus de silicium entre les zones élémentaires, comme illustré par la figure 4. En effet, dans ce cas, les ions 40 de la gravure RIE viennent bombarder, selon la flèche F, l'oxyde tunnel 41 entre les plots 42 alors formés par disparition de la couche de silicium non masquée par les zones d'oxydes 30, et l'oxyde tunnel se grave cent fois plus lentement. Ainsi, par la gravure RIE dans les conditions décrites ci-dessus, la forme exacte des zones élémentaires est transférée dans la couche de silicium polycristallin.
Afin de reconstituer des zones de Si02 géométriquement parfaite après la gravure RIE, il convient de transférer l'ensemble dans une chambre d'oxydation dite douce, cette chambre étant avantageusement celle de la formation de l'oxyde tunnel.
Cette oxydation reprend les conditions d'oxydation de type interaction ionique à distance décrite ci-dessus, à l'aide d'ions Arq+ à Are+, mais combinée à un chauffage modéré, réalisé par tout moyen connu de l'homme de l'art, qui établit une température comprise entre 200 et 500 C dans la chambre, 300 C dans l'exemple de réalisation.
Après la gravure, le composant est conduit dans une chambre de dépôt de couche de Si02 entre les micro- îlots par transfert à travers le sas. Le dépôt est réalisée selon des méthodes connues, pulvérisation sous vide ou LPCVD, et permet d'enrober chaque plot d'une couche de diélectrique isolante pour constituer un dispositif quantique.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. I1 est par exemple possible de déposer une ou plusieurs couche métalliques sur la mince couche d'oxyde tunnel avant de déposer une couche de silicium polycristallin ou amorphe. Lors de la gravure RIE, il convient de changer la nature du gaz réactif suivant la nature de la couche à graver afin d'obtenir un transfert rigoureux de la forme des zones élémentaires d'oxydes , et donc de réaliser des micro-îlots réguliers.
Claims (19)
1. Composant à éléments mono-électron, comportant une source (28) et un drain (29) réalisés dans un substrat semi-conducteur (27), sur lequel est déposé une couche d'oxyde tunnel (24) au regard d'une grille (25) disposée à distance entre la source et le drain, caractérisé en ce que les éléments mono-électrons sont des micro-îlots en forme de plots sensiblement cylindriques présentant des dimensions principales inférieures à 30 nm et répartis de manière uniforme dans un matériau diélectrique (23) disposé entre l'oxyde tunnel (24) et la grille (25), chaque micro-îlot comportant au moins une couche mince de matériau semi-conducteur (21) coiffée d'une couche mince de matériau diélectrique (22) en contact avec la grille.
2. Composant à éléments mono-électron selon la revendication 1, dans lequel les micro-îlots comportent une couche de matériau conducteur, couplée à une couche de semi-conducteur.
3. Composant à éléments mono-électron selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la couche de silicium est constituée de silicium amorphe hydrogéné.
4. Composant à éléments mono-électron selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la couche de silicium est constituée de silicium polycristallin.
5. Composant à éléments mono-électron selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les dimensions principales de chaque plot sont comprises entre 1 et 5 nm pour le diamètre et entre 5 et 30 nm pour la hauteur, et les couches minces entre 1 et 3 à 5 nm, l'oxyde tunnel et le matériau diélectrique étant constitués par de l'oxyde de silicium.
6. Dispositif quantique, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un élément mono-électron formé d'un micro-îlot en forme de plot sensiblement cylindrique présentant des dimensions principales inférieures à 30 nm dans un matériau diélectrique (23) disposé entre un oxyde tunnel (24) et une grille (25), le micro-îlot comportant au moins une couche mince de matériau semi-conducteur (21) coiffée d'une couche mince de matériau diélectrique (22) en contact avec la grille, ainsi que d'une source et d'un drain réalisés dans un substrat semi-conducteur sur lequel est déposé une couche d'oxyde tunnel au regard d'une grille disposée à distance entre la source et le drain.
7. Procédé de réalisation de composants selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une étape de réalisation d'un oxyde tunnel (24, 41) d'épaisseur inférieure au nanomètre par oxydation superficielle d'un substrat de silicium, suivie des étapes successives suivantes - dépôt d'au moins une couche conductrice de silicium (31) sur l'oxyde tunnel ; - projection d'ions sous vide, de faible énergie et de densité comprise entre 108 et 1014 ions /CM2.S, à la surface de la couche de silicium (31) , couplée à une oxydation des zones élémentaires (30) créées par l'interaction entre les ions et ladite surface ; - gravure ionique réactive et sélective du silicium autour desdites zones élémentaires (31) jusqu'à atteindre l'oxyde tunnel (41) ; et - dépôt d'une couche diélectrique autour des micro-îlots (42).
8. Procédé de réalisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'oxyde tunnel (41) est réalisé par interaction du substrat avec des ions de faible énergie, couplée à une oxydation du substrat.
9. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le dépôt d'au moins une couche conductrice de silicium sur l'oxyde tunnel est suivi d'un recuit de type flash , réalisé sous atmosphère d'hydrogène.
10. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium (31) est réalisé soit en phase vapeur de type LPCVD fortement dopée en hydrogène, pour fournir, soit par pulvérisation sous vide de type sputtering , pour fournir respectivement une couche de silicium amorphe et une couche de silicium polycristallin sensiblement exempte de charges induites.
11. Procédé de réalisation selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le dépôt de la couche de silicium est précédé par le dépôt d'une couche métallique directement sur l'oxyde tunnel, la couche de silicium étant ensuite déposée sur la couche métallique.
12. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'interaction ionique est effectuée entre une couche de silicium hydrogéné, amorphe ou polycristallin, et des ions de gaz rare moyennement chargés émis par une source d'ions de type ECR, et l'oxydation est réalisée ensuite par émission et comblement à l'aide de gaz oxygène des liaisons hydrogène pendantes, ouvertes par l'interaction.
13. Procédé de réalisation selon la revendication 12, caractérisé en ce que les ions de gaz rare sont des ions ArB+ à Arlz+.
14. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'interaction ionique est également oxydante et est effectuée entre une couche de silicium polycristallin et des ions oxydants, ces ions étant également émis par une source d'ions de type ECR.
15. Procédé de réalisation selon la revendication 14, caractérisé en ce que les ions oxydants sont des ions 0+.
16. Procédé de réalisation selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche diélectrique est une couche de Si02 déposée entre les micro-îlots (42) après une phase d'oxydation douce du silicium, réalisée par une interaction d'ions de faible énergie du type précédent accompagnée d'un chauffage à une température inférieure à S00 C.
17. Procédé de réalisation selon la revendication 7, dans lequel une oxydation douce des micro- îlots de silicium (42) est réalisée par flux de gaz oxygène et chauffage modéré afin de reconstituer les zones élémentaires oxydées (30).
18. Réacteur multichambres pour la mise en ceuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 17, comportant - une chambre d'oxydation du substrat de silicium pour former l'oxyde tunnel et réaliser l'oxydation douce du silicium gravé, - une chambre de dépôt de silicium, - une chambre de recuit de type flash sous vide, - une chambre d'interaction d'ions à faible énergie équipée d'une source ECR et de moyens de contrôle de direction, densité et vitesse des ions, - une chambre de gravure du silicium par RIE, et - une chambre de dépôt d'une couche de SI02.
19. Réacteur selon la revendication 17, dans lequel, le silicium à graver est soit un silicium polycristallin soit un silicium amorphe hydrogéné ou polycristallin hydrogéné, la source de la chambre d'interaction d'ions émet des ions oxydants ou, respectivement, des ions de gaz rare, la chambre étant associée à une chambre supplémentaire d'oxydation du silicium par flux d'oxygène.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9910116A FR2797349B1 (fr) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre |
| AU70055/00A AU7005500A (en) | 1999-08-04 | 2000-07-21 | Component with monoelectron elements and quantum device, industrial method for producing the same and multi-chamber reactor for carrying out said method |
| PCT/FR2000/002099 WO2001011689A1 (fr) | 1999-08-04 | 2000-07-21 | Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9910116A FR2797349B1 (fr) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2797349A1 true FR2797349A1 (fr) | 2001-02-09 |
| FR2797349B1 FR2797349B1 (fr) | 2002-03-08 |
Family
ID=9548876
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR9910116A Expired - Fee Related FR2797349B1 (fr) | 1999-08-04 | 1999-08-04 | Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| AU (1) | AU7005500A (fr) |
| FR (1) | FR2797349B1 (fr) |
| WO (1) | WO2001011689A1 (fr) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2992774B1 (fr) | 2012-06-29 | 2015-12-25 | Inst Nat Sciences Appliq | Capteur de molecule integrable dans un terminal mobile |
| US20190194016A1 (en) * | 2016-09-29 | 2019-06-27 | Intel Corporation | Quantum computing assemblies |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997048135A1 (fr) * | 1996-06-14 | 1997-12-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Transistor mos a puits quantique et procedes de fabrication de celui-ci |
| EP0843361A1 (fr) * | 1996-11-15 | 1998-05-20 | Hitachi Europe Limited | Dispositif de mémoire |
| WO1999005724A1 (fr) * | 1997-07-25 | 1999-02-04 | Regents Of The University Of Minnesota | Memoire semm a grille flottante |
-
1999
- 1999-08-04 FR FR9910116A patent/FR2797349B1/fr not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-07-21 AU AU70055/00A patent/AU7005500A/en not_active Abandoned
- 2000-07-21 WO PCT/FR2000/002099 patent/WO2001011689A1/fr active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997048135A1 (fr) * | 1996-06-14 | 1997-12-18 | Commissariat A L'energie Atomique | Transistor mos a puits quantique et procedes de fabrication de celui-ci |
| EP0843361A1 (fr) * | 1996-11-15 | 1998-05-20 | Hitachi Europe Limited | Dispositif de mémoire |
| WO1999005724A1 (fr) * | 1997-07-25 | 1999-02-04 | Regents Of The University Of Minnesota | Memoire semm a grille flottante |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2001011689A1 (fr) | 2001-02-15 |
| AU7005500A (en) | 2001-03-05 |
| FR2797349B1 (fr) | 2002-03-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0511360B1 (fr) | Source d'electrons et procede de realisation | |
| EP0298794B1 (fr) | Procédé de fabrication d'une couche d'isolant enterrée dans un substrat semi-conducteur par implantation ionique et structure semi-conductrice comportant cette couche | |
| EP1902463B1 (fr) | Procede de diminution de la rugosite d'une couche epaisse d'isolant | |
| EP0801419B1 (fr) | Procédé d'obtention d'un film mince de matériau semiconducteur comprenant notamment des composants électroniques | |
| EP1889296A1 (fr) | Transistor a canal a base de germanium enrobe par une electrode de grille et procede de fabrication d'un tel transistor | |
| EP1811560A1 (fr) | Procédé de fabrication d'un substrat composite à propriétés électriques améliorées | |
| FR2700222A1 (fr) | Procédé de formation d'un dispositif à effet de champ en silicium. | |
| EP0036802B1 (fr) | Procédé de réalisation de dispositifs à effet mémoire à semi-conducteurs amorphes | |
| FR2742924A1 (fr) | Procede de depot selectif d'un siliciure de metal refractaire sur du silicium et plaquette de silicium metallisee par ce procede | |
| FR2492591A1 (fr) | Procede de fabrication d'un circuit integre | |
| FR2881575A1 (fr) | Transistor mos a grille totalement siliciuree | |
| FR2696873A1 (fr) | Transistor à effet de champ et procédé pour sa fabrication. | |
| FR2922360A1 (fr) | Procede de fabrication d'un substrat de type semi- conducteur sur isolant a plan de masse integre. | |
| FR2797349A1 (fr) | Composant a elements mono-electron et dispositif quantique, ainsi que procede industriel de realisation et reacteur multichambres de mise en oeuvre | |
| EP0950258A1 (fr) | Procede et dispositif de traitement d'une surface d'un semi-conducteur | |
| FR3100923A1 (fr) | Procédé de gravure d’une couche à base d’un matériau III-V | |
| EP0904599B1 (fr) | PROCEDE DE GRAVURE DE LA GRILLE EN TECHNOLOGIE MOS UTILISANT UN MASQUE DUR A BASE DE SiON | |
| EP1433206A1 (fr) | Transistor a un electron et a canal vertical, et procedes de realisation d'un tel transistor | |
| EP0197838B1 (fr) | Procédé de réalisation d'un transistor à effet de champ à métallisation de grille autoalignée | |
| FR2793349A1 (fr) | Procede de croissance d'une couche d'oxyde de silicium de faible epaisseur sur une surface de substrat de silicium et machine a deux reacteurs de mise en oeuvre | |
| EP4006997B1 (fr) | Procédé de réalisation d'un dispositif quantique | |
| EP1328977A1 (fr) | Procede de realisation d'un oxyde de grille forme sur substrat semi-conducteur | |
| EP0177422A1 (fr) | Procédé de réalisation de grilles en siliciure ou en silicium pour circuit intégré comportant des éléments du type grille-isolant-semiconducteur | |
| WO2000068984A1 (fr) | Procede de nettoyage d'une surface de substrat de silicium et application a la fabrication de composants electroniques integres | |
| FR2711451A1 (fr) | Procédé d'obtention de contacts conducteurs auto-alignés pour composants électroniques. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |