Brevet FR2151130A1 — publié le 19730413

2'invention se rapporte à un procédé de photogravure suivant lequel la surface d'une matière appropriée est revêtue d'une couche photorésistante, la couche photorésitante est exposée à la lumière à travers un masque comprenant le dessin à graver puis développée, et la matière est ensuite gravée. Les procédés de photogravure de ce type sont utilisés, d'une façon connus, dans la photolithographie. Ils ont trouvé une application récente dans la technologie des semiconducteurs. Le procédé de l'invention sera décrit ci-après en se reférant plus particu lièrement à la technologie des semiconducteurs mais ceci ne doit pas être consi déré comme une limitation de sa portée à l'application à ce domaine particulier. Les procédés de fabrication couramment utilisés dans la technologie des circuits imprimés se sont orientés vers la technique de gravure au moyen d'un masque, utilisant des composés organiques sensibles à la lumière, appelés matières photorésistantes ou "photoresists". En principe, les divers dessins ou configurations, gécessaires pour la diffusion, la métallisation et autres traitements, sont appliqués sur une tranche au moyen d'un masque utilisé en combinaison avec la matière photorésistante. Le masque comporte le dessin qui doit être reproduit, par un procédé photographique, sur la surface d'un matériau de masque approprié.Le matériau de masque, suivant les divers procédés, peut être, par exemple, les surfaces du semiconducteur luimeme, et des couches d'oxyde ou de métal recouvrant le matériau semiconducteur. Les procédés connus dans le domaine de la photolithographie comprennent essentiellement les étapes particulières suivantes: La surface d'un matériau approprié, qui est ensuite utilisée comme masque, est initialement recouverte d'une matière photorésistante, sensible à la lumière. Un masque comportant le dessin désiré est appliqué sur la matière photorésistante et est aligné avec des dessins déjà utilisés dans des étapes de procédé précédentes. Après une exposition convenable de la couche photorésistante à travers le masque, le dessin du masque est développé dans la matière photorésistante. Selon que l'on utilise une matière photorésistante positive ou négative, les parties exposées, ou les parties non exposées, de la couche photorésistante sont enlevées au cours de cette étape.Les parties restantes de la couche photorésistante sont fixées de sorte qu'elles ne sont pas attaquées lors des étapes de gravure ultérieure et traitements similaires. Elles forment ainsi en particulier un masque de gravure, grâce auquel le dessin défini par le masque utilisé peut être transféré à la surface du matériau disposé audessous. Au cours de cette étape du procédé, le matériau n'est gravé que dans les parties où la couche photorésistante a été enlevée. Après achèvement de la gravure, des parties restantes de la matière photorésistante sont enlevées de sorte que le dessin est disponible pour les étapes ultérieures du procédé. Le dessin à réaliser sur la couche de matière photorésistante ne peut pas être plus parfait que le masque utilisé pour la reproduction. En conséquence, la qualité du masque doit remplir des conditions extrêmement sévères. Il est évident que les dimensions géométriques du masque doit être correctes, outre qu'elles doivent être indépendantes de l'influence de la température et de l'humidité. Le dessin doit avoir une épaisseur uniforme dans les zones transparentes et opaques, et les transitions entre ces zones doivent être nettement définies. L'expérience a démontré que les techniques classiques de photogravures en particulier lorsqu'elles sont utilisées dans la technologie des circuits intégrés, ne sont pas aussi parfaites qu'il serait nécessaire pour garantir un rendement économiquement acceptable. Afin d'obtenir des lignes et bords nettement définis dans le dessin du masque à fabriquer, les épaisseurs du masque et de la couche photorésistante sont choisies extrêmement minces. Cependant, il n'en reste pas moins que des irrégularités dans la matière du masque et dans les couches appliquées sur elle se produisent plus fréquemment dans des couches minces et sont exposées et reproduites de la même manière que le dessin du masque lui-m#me. Les défauts de la couche photorésistante sont dûs, dans la plupart des cas, au fait que les zones en cause ne sont pas recouvertes par la matière photorésistante.Dans le cas de défauts du masque, il faut établir une distinction selon que la matière photorésistante utilisée est une matière photorésistante positive ou négative, c'est-à-dire selon que les parties exposées ou que les parties non exposées de la matière photorésistante sont enlevées lors du développement. Généralement, on divise les défauts du masque en défauts transparents dans les zones opaques, appelés ci-après défauts trans parents et en défauts opaques dans les zones transparentes appelés ci-après "défauts opaques". Ces défauts ont la caractéristique commune d'être répartis au hasard. On connaît déjà, dans l'art antérieur, un procédé de photogravure qui évite l'effet de défauts dans la couche photorésistante, A cet effet, une première couche photorésistante est exposée à travers un premier masque, puis développée, et les parties correspondantes de la couche sont enlevées. Ensuite, une seconde couche photorésistante est appliquée, exposée à travers un second masque et développée. Ce procédé n'est actuellement utilisable qu'avec des matières photorésistantes négatives. En conséquence, il présente l'inconvénient que malgré l'accroissement du coût provenant de l'emploi de deux couches photorésistantes et de deux masques, les défauts transparents des deux masques sont reproduits.En outre, tant les défauts transparents que les défauts opaques sont maintenus au moins partiellement, en ce sens que, par exemple, dans leur région, l'épaisseur du masque de gravure formé est réduite d'au moins cinquante pour cent. Pour cette raison, pour éliminer les défauts des masques, on a proposé de na pas développer la-premibre couche de matière photorésistante après son exposition. Cependant cette mesure ne permet pas d'éliminer les défauts transparents at n'élimine que partiellement les défauts opaques. La présente invention a essentiellement pour objet de réaliser un procédé de photogravure qui permet d'éliminer les défauts répartis au hasard et appelés défauts transparents ou opaques, qui se produisent dans les masques utilisés dans les procédés photolithographiques en général et en particulier dans les procédés photolithographiques utilisés dans la technologie des circuits intégrés. Selon l'invention. ce résultat est obtenu par un procédé de photogravure pour la fabrication de mesques, selon lequel la surface d'un matériau approprié est revêtue d'une couche photorésistante, la couche photorésistante étant exposée à travers un masque comportant le dessin désiré puis développée, le matériau du masque étant ensuite gravé, ledit procédé étant caractérisé en ce que la couche photorésistante est soumise successivement, chaque fois en utilisant un masque séparé mais convenablement aligné et comportant le méme dessin, A une exposition partielle qui n'est pas suffisante pour développer la couche photorésistante et en ce que l'exposition complète est obtenue par la somme des expositions partielles. Le procédé présente l'avantage particulier que les effets de tous les défauts du masque sont éliminés de sorte que le procédé, lorsqu'il est utilisé dans la technologie des circuits intégrés, assure un rendement économiquement acceptable. Un mode de réalisation préférentiel est caractérisé en ce que la géométrie du dessin des masques successifs est agrandie de la valeur des tolérances d'aJustements de cette façon, on évite la nécessité d'un ajustement précis des masques, au prix d'une légère diminution du rendement possible. Un mode de réslisation du procédé selon l'invention est caractérisé en ce que lorsque l'on utilise N masques, avec N b 3, et des expositions partielles, les expositions partielles sont choisies de telle sorte que l'exposition complète est obtenue après (N-I) expositions partielles. Un mode de réalisation préférentiel est caractérisé en ce que, lorsqu'on utilise un dessin de masque constitué par des dessins unitaires régulièrement disposés, on utilise un seul masque élargi et en ce que les expositions partielles sont effectuées chaque fois après que le masque ait été déplacé Jusqu'à un nouveau recouvrement en alignement du dessin. Les objets qui précèdent, ainsi que d'autres objets, caractéristiques et avantages de l'invention, apparaîtront à la lecture de la description plus détaillée qui suit de l'invention telle qu'illustrée dans les dessins annexés dans lesquels: les figures 1A à 10 illustrent un procédé conforme à la présente invention utilisant deux expositions partielles, chacune des figures correspondant à la fin d'une étape particulière du procédé. La figure 1E représente la courbe de l'énergie lumineuse absorbée lorsqu'on utilise deux expositions partiellesi La figure IF représente les courbes de l'énergie lumineuse absorbée lorsqu'il n'y a que des zones de défauts relativement petites dans le masque; les figures 2A à 2E représentent le procédé selon l'invention comportant trois expositions partielles, chaque figure correspondant à la fin d'une étape particulière du procédai la figure 2F représente les courbes de l'énergie lumineuse absorbée lorsqu'on utilise trois expositions partielles. Comme précédemment indiqué le procédé selon l'invention sera décrit dans son application à la technologie des circuits intégrés. Selon la présente invention on prend en considération le fait que. pour développer complètement un dessin sur une couche photorésistante, il est nécessaire d'utiliser pour l'exposition une énergie lumineuse minimale au cours d'une exposition unique. Selon l'invention, il est fait application de la possibilité qui existe d'atteindre cette énergie lumineuse minimale nécessaire, Par le moyen d'une série d'expositions partielles qui présentent chacune une faible énergie lumineuse. Ainsi, l'énergie totale résulte de la somme des énergies d'expositions partielles. Les diverses expositions partielles sont effectuées soit au moyen de masques séparés comportant les mêmes dessins, soit, si le dessin est constitué par des dessins unitaires régulièrement disposés, au moyen d'un masque unique qui, après chaque exposition partielle. est décalé d'un dessin unitaire. Etant donné que les défauts transparents et opaques sont répartis au hasard dans les masques, on peut admettre sans risque que les zones de défauts des masques successifs ne se recouvent pas. Cela signifie que. dans la région d'un défaut, il se produit seulement une exposition partielle, faite sous une faible énergie lumineuse. Si l'énergie lumineuse de l'exposition Partielle est choisie suffisamment faible, les défauts du masque en cause ne sont pas reproduits. Le procédé selon l'invention, utilisant seulement deux expositions partielles est illustré par les figures lA à 1E. Ce mode de réalisation se rapporte à la fabrication d'un masque de diffusion dans la technologie des circuits intégrés . La figure 1A représente une coupe d'un semiconducteur S dont la surface est recouverte d'une couche d'oxyde M qui est réalisée par oxydation. La couche d'oxyde est utilisée, à la fin du procédé, pour former un masque de diffusion appelé respectivement M' et M". Une couche de matière photorésistante PR est appliquée sur la couche d'oxyde M. La couche de matière photorésistante est, à son tour, recouvrrte par un premier masque Mi. Ce masque comporte, par exemple, des zones transparentes Il et 12 et une zone opaque 13. On suppose qu'un point de défaut ni représentant un défaut transparent est inclus dans la zone opaque. La zone transparente 12 comporte un défaut opaque D2. Ces défauts consistent soit en des zones transparentes très petites situées dans des zones qui sont en elles-mêmes opaques, soit en des zones opaques situées dans des zones de masque qui sont en elles-mêmes transparentes.La figure 1A représente l'état du dispositif après la première exposition partielle; c'est-à-dire qu au dessous des zones transparentes 11, ni et 12 la couche de matière photorésnte PR est partiellement exposée, comme indiqué par les parties des couches à larges hachures 14, 16 et 17. Au-dessous des zones opaques 13 et D2 la matière n'est pas exposée, comme indiqué par les pointillés dans les zones 15 et 18. Le défaut transparent ni a ainsi pour résultat une zone 16 partiellement exposée de façon indésirable dans la couche photorésistante PR. Le défaut opaque D2 a pour effet qu'une zone 18 de la couche photorésistante qui devrait être partiellement exposée, reste non exposée.L'énergie lumineuse appliquée lors de la première exposition partielle n'est pas suffisante pour le développement de la matière photorésistante. On remarquera que, si l'on avait effectué une exposition complète au lieu de cette première exposition partielle, les zones de la couche sous les défauts ni et D2 auraient été soit totalement exposées soit totalement non exposées. Au cours des étapes ultérieures de traitement ces défauts potentiels seraient devenus des défauts effectifs. Au cours de l'étape suivante (figure 15) le premier masque M1 est enlevé et un second masque M2, représentant un dessin correspondant, est appliqué. Bien entendu, le second masque doit être aligné avec précision avec les parties des exposées. Etant donné que les défauts sont répartis au hasard, on peut admettre que dans le cas du second masque, les zones transparentes 21 et 22 et la zone opaque 23 ne comportent pas respectivement de défaut opaque et de défaut transparent. il est cependant nécessaire qu'il n'y ait pas, dans les deux masques, des zones de défauts qui se recouvrent. La seconde exposition partielle, qui est ensuite effectuée, a pour résultat que les zones de la couche de matière photorésistante qui ont été soumises aux deux expositions sont complètement exposées, comme représenté par les zones 24 et 27 à hachures serrées.La zone 18 qui est restée, à tort, non exposée pendant la première exposition se présente sous la forme d'une zone semi-exposée 28 sur la figure 15. La zone 16 qui a été à tort partiellement exposée lors de la première exposition partielle n'est pas soumise à la seconde exposition partielle de sorte qu'elle reste sous forme de zone partiellement exposée 26. sur la figure 15. La zone 15 qui n'avait pas été exposée lors de la première exposition partielle reste sous forme d'une zone non exposée 25. Les figures 1C et 1D montrent l'état du dispositif après le développement de la matière photorésistante selon qu'une matière photorésistante positive ou négative a été utilisée. Oans la disposition de la figure 1C. on suppose qu'une matière photorésistante négative PR' a été utilisée, ce qui signifie que les parties non exposées ou seulement partiellement exposées 25, 26, 28 disparaissent de sorte que des ouvertures ou fenêtres 25', 28' sont formées tandis que les zones exposées 24 et 27 sont conservées et forment les zones 24' et 27'. La figure 10 montre la disposition utilisant une matière photorésistante positive PR" d'où il résulte que les zones non exposées 248 et 27" disparaissent tandis que les zones exposées ou partiellement exposées 25" 26" et 28" sont conservées. L'exemple de mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus montre les limites du procédé selon l'invention, lorsque deux expositions partielles sont utilisées. il est évident que seul le défaut transparent Ol est éliminé et ne produit pas d'effet. Le défaut opaque D2 par contre se maintient et subsiste comme défaut dans la matière photorésistante développée. Ceci est indiqué par les zones 28' sur la figures 1C et 28" sur la figure 1D. Le fait que l'em ploi de deux expositions partielles empêche seulement une catégorie de défauts de devenir effective est démontré par les courbes d'absorption d'énergie qui, sur la figure 1E, ont été tracées de façon à correspondre à la largeur totale du dispositif. Sur ce graphique El correspond à l'énergie de la première exposition et E2 à celle de la seconde exposition.L'énergie EO pour le développement correspond à la quantité minimale d'énergie nécessaire pour le développement. La courbe e21 correspond à la première exposition partielle. L'énergie minimale n'est atteinte en aucun point. Après la seconde exposition partielle la courbe e 22 est obtenue. On voit que, dans la zone du défaut opaque D2, il ne s'est produit qu'une demi-exposition qui est insuffisante pour le développement de sorte que le défaut est conservé. Cependant, le diagramme correspondant de la figure 1F montre que les défauts opaques sont en général insignifiants sous réserve que les zones de défaut soient relativement petites. On a constaté que par suite de l'effet de diffusion de la lumière qui se produit au cours de l'exposition, une exposition partielle se produit audessous du défaut opaque D2 même pendant la première exposition partielle. Dans le cas de défauts opaques de petites dimensions, il en résulte qu'une exposition complète est obtenue lors de la seconde exposition partielle de sorte que le défaut disparait lors du développement. Ceci est représenté par les courbes d'énergie correspondantes e 21' et e 22' de la figure 1F. Si l'on se réfère à nouveau aux figures 1C et 1D, on constate que la couche M est enlevée, en utilisant un produit de gravure appropriée respective ment dans les zones 25', et 24" et 27", qui ont été dégagés de toute matière photorésistante, et qu'il subsiste respectivement un masque de diffusion correspondant M' et M". L'utilisation de trois expositions partielles suffit déjà à garantir que tous les défauts D1 et D2 quels qu'ils soient sont rendus sans effet. Les étapes et les détails correspondants à ce procédé sont représentés sur les figures 2A à 2F. La seule différence essentielle dans la succession des étapes des figures 2A à 2B par rapport aux figures 1A à 1D réside en ce que l'exposition complète est obtenue en utilisant trois expositions partielles avec trois masques séparés. Pour plus de simplicité, on a supposé que les défauts étaient présents dans le premier masque M1. Bien entendu, ces défauts peuvent également être présents dans les masques M2 et M3.Il est seulement essentiel que, du fait de la répartition au hasard des défauts, on peut admettre an toute sécurité, qu'après l'alignement des masques, il n'y a pas deux zones de défauts de deux ou d'un plus grand nombre de masques qui soient superposées l'une à l'autre. On supposera à nouveau qu'il s'agit d'un substrat semiconducteur S dont la surface est recouverte par oxydation d'une couche d'oxyde M qui doit être convertie en un masque de diffusion M' ou M . Sur cette couche d'oxyde est appliquée une couche PR de matière photorésistante sur laquelle est disposée un premier masque NI. Ce masque comporte des zones transparentes Il et 12 et une zone opaque 13. En outre. on suppose qu'il existe un défaut transparent D1 et un défaut opaque D2.Pendant la première exposition partielle à une énergie lumineuse El (figure 2F1 qui correspond au tiers de l'énergie totale nécessaire pour l'exposition complète, des zones 14, 16 et 17 sont formées qui sont partiellement exposées à un tiers de l'exposition normale et sont indiquées par des hachures largement espacées. Les zones 15 et 18 restent non exposées. Les zones 16 et 18 représentent les défauts produits par les zones de défauts 01 et 02. La figure 28 montre l'état du dispositif après l'application du second masque M2 qui ne présente pas de défaut, et après achèvement de la seconde exposition partielle. Bien entendu, la second masque est aligné avec le dessin exposé et comporte les zones transparentes 21 et 22 et la zone opaque 23.Lors de la seconde exposition partielle. les zones 14 et 27 sont partiellement exposées aux deux tiers de l'exposition totale (somme des énergies El et E2 sur la figure 2F). Cet état d'exposition est représenté par des hachures serrées. La zone antérieurement référencée 15 qui devient la zone 25 reste non exposée. La zone de défaut 26, correspondant la zone de défaut 16. n'est pas affectée par cette seconde exposition. Par contre, la zone de défaut 18 est exposée d un tiers de la valeur totale d'exposition, comme indiqué par la zone à hachures larges 28. Lors de la troisième exposition partielle (figure 2C1, avec le troisième masque M3, qui comprend les zones transparentes 31 et 32 et la zone opaque 33, les zones 24 et 27 de la figure 2B sont totalement exposées d'une valeur correspondant à la somme des trois énergies lumineuses El, E2 et E3 (figure 2F#, comme indique par les hachures serrées des zones 34 et 37. La zone 25, qui devient la zone 35, reste non exposée.Les zones de défaut 16 et 26 respectivement, qui résultaient du défaut transparent D1 restent partiellement exposée à une valeur d'un tiers de la valeur d'exposition totale. il est important de noter que, lors de cette troisieme et dernière exposition partielle, la zone 2d (figure 26) qui. lors de la deuxième exposition, n'avait encore été exposé qu'à un tiers de la valeur totale d'exposition, est alors à nouveau soumise à une exposition partielle. Ce la sorte, il se forme une zone 36 qui a été exposée aux deux tiers. Comme on le voit sur la figure 2F, les énergies El, E2 et E3 des expositions partielles sont choisies de telle sorte qu'une exposition complète est obtenue après seulement deux expositions partielles.La courbe e 31 de la première exposition montre que l'énergie utilisée est audessous de l'énergie minimale EO nécessaire pour l'exposition complète. Au cours de la seconde exposition partielle, (courbe e 32) cette énergie minimale est dépassée dans toutes les zones désirées. Ce n'est que dans la zone de défaut opaque D2 que 1 énergie absorbée correspondant à une exposition partielle est encore inférieure à l'énergie minimale. Cependant, ce défaut est finalement éliminé lors de la troisième exposition Partielle (courbe e 33). La figure 2D représente un dispositif utilisant une matière photorésistante négative PR', après développement.La couche photorésistante PR' développée forme alors un masque de gravure avec des zones 34', 37' et 38' qui s'opposent à l'action du produit de gravure et une ouverture de masque 35', 36'. Par un procédé de gravure, une ouverture de masque 40' dans le masque de diffusion M' peut être réalisée. La figure 2E montre la facrication d'un dispositif de forme complémentaire qui est obtenu en utilisant une matière photorésistante positive PR". Dans ce cas, la zone non exposée 35" et la zone 36 qui a eté partiellement exposée d'un tiers sont conservées tandis que les zones complète. ment exposées 34 et 37 et la zone 38 exposée aux deux tiers sont enlevées de sorte que des ouvertures de masque 34", 37" et 38" sont produites dans le masque de gravure qui a été formé. Après achèvement de la gravure, la zone 40" du masque de diffusion M" subsiste. On voit ainsi que le procédé selon l'invention empêche tout défaut du masque, à savoir les défauts transparents et opaques, de produire des effets, aussi bien dans le cas de matières photorésistante positive que négative, si au moins trois expositions partielles sont utilisées. Les expositions partiel les doivent être choisies de telle sorte que la somme de deux expositions partielles soit suffisante pour le uéveloppement, tandis qu'une seule exposition partielle est à elle seule insuffisante. Dans certains cas, comme représenté sur les figures 1A à 1F, eeux exoositions partielles peuvent ne pas être suffisantes pour éliminer des défauts opaques relativement grands.Cependant, avec deux expositions partielles, on évite déjà la plupart des défauts répartis au hasard, de sorte que déjà dans ce cas, un rendement plus élevé est obtenu. Ceci est do à la diffusion de lumière qui se produit, en particulier dans le cas des défauts de petites dimensions. Afin de faciliter l'alignement des masques successifs nécessaires pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, et dans un but d'économie, le procédé suivant peut être adopté, au prix seulement d'une légère diminution de rendement. Si l'on considère par exemple le procédé utilisant deux expositions partielles, on effectue la première exposition au moyen du masque normal comportant le dessin aux dimensions désirées. Par contre, lors de la seconde exposition, on utilise un masque qui comporte une géométrie du dessin agrandie au moins de la valeur des tolérances d'ajustement. Comme les dimensions du dessin à transférer sont uniquement déterminées par la somme des deux expositions partiel les, la géométrie du dessin du premier masque est celle qui est décisive. Les défauts qui du fait de la géométrie agrandie du second masque, sont en dehors de la zone dans laquelle les deux masques sont superposés, sont reproduits par ce procédé de sorte qu'il en résulte une diminution du rendement. Tous les autres défauts cependant sont éliminés. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques essentielles de l'invention appliquées à un mode de réalisation préférée de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre et de la portée de ladite invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé de photogravure du genre dans lequel la surface d'un matériau approprié est revêtue d'une couche photorésistante, cette couche étant exposée à travers un masque comportant la configuration désirée puis étant développée, le matbriau étant ensuite gravé, ce procédé étant caractérisé en ce que la couche photorésistante est soumise successivement à des expositions partielles, chaque exposition partielle d'une part utilisant un masque séparé mais convenablement aligné et comportant la même configuration désirée, et d'autre part étant insuffisante pour développer la couche photorésistante, et l'exposition complète de la couche photorésistante étant obtenue par la somme des expositions partielles. 2.- Procédé selon la revendication t caractérisé en ce que, au moins certains masques successifs comportent une géométrie de configuration qui est agrandie au moins de la valeur des tolérances d'ajustement. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 ou Z, caractérisé en ce que N masques sont utilisés au cours de N expositions partielles, N étant au moins égal à 3, les expositions partielles étant réalisées de telle sorte que l'exposition complète, qui permet le développement de la couche photorésistante, ne soit obtenue qu'après (N-I ] expositions partielles. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans le cas où la configuration du masque est constituée par des configurations unitaires identiques et régulièrement disposées, on utilise un seul masque, les expositions partielles étant effectuées chaque fois après que le masque ait été décalé puis réaligné afin que les configurations unitaires se recouvrent à nouveau. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les masques sont des masques utilisés dans la technologie des semiconducteurs .