Brevet FR2481517A1 — publié le 19811030

La présonte invention se rapporte au chauf- fage d'un matériau à base de dioxyde de silicium (SiO2) dans la technique des semi-conducteurs. On utilise un processus d'écoulement de verre au phosphosilicate, principalement pour arrondir les arêtes vives de coupes gravées sur du verre au phosphosilicate afin de contribuer à empocher une fissu- ration sur les bords d'une charge de métal ou de silicium polycristallin ultérieurement déposée et également pour uniformiser la totalité de la surface d'une couche de verre au phosphosilicate en vue de sa gravure contrôlée ulterieure0 Le processus d'é ecoulement est normalement provoqué par un recuit au four à haute temperature (envi- ron 9500C ou plus). En général, la couche de verre au phospho- silicate fait partie deune structure initialement formée par application sur un substrat en silicium d'une couche de dioxyde de silicium (SiO2) déposée thermiquement. Une couche d'anhydride phosphorique - dioxyde de silicium (P205 - Si02) est ensuite déposée chimiquement en phase vapeur sur la couche de dioxyde de silicium déposée thermiquement, par exemple par réaction deun mélange phosphore - silane avec de i 'oxygène, à basse température, de sorte quvon obtient une couche supérieure de verre au phosphosilicate. Un problème majeur qui se pose avec l'appro- che de la technique antérieure consistant à provoquer un écoulement par recuit à haute température réside en ce que, lorsque des structures de dispositif, c'est-à-dire des structures pouvant âtre en un matériau différent situées à proximité immédiate du verre au phosphosilicate, sont chauffées à une température relativement élevée dans le four, leurs propriétés subissent souvent des mo- difications indésirables en raison d'une diffusion daim- puretés de dopage ou diun alliage5Uc ces impuretés, ou encore d'une contamination par celles-ci. Un autre problème réside en ce que de l'anhydride phosphorique (P205), généralement à raison d'une concentration de 7 à 9 moles %, doit être ajouté à la composition à la base de dioxyde de silicium pour abaisser la tempéra- ture d'écoulement. Cela favorise ultérieurement la corrosion des interconnexions métalliques. Compte tenu de ce qui précède, l'invention a notamment pour objet de créer un procédé extrêmement efficace permettant de provoquer une densification et/ou un écoulement de verre au phosphosilicate ou analogues, de manière à éliminer les problèmes mentionnés ci-dessus. Dans ses grandes lignes, l'invention vise un procédé permettant de produire un écoulement ou une densification d'une première partie à base de dioxyde de silicium d'une structure située à proximité immédiate d'une seconde partie de ladite structure, ladite première partie étant du type dans lequel un écoulement ou une densification sont provoqués en réponse à l'application de chaleur, ledit procédé consistant à chauffer ladite première partie dans une mesure considérablement plus grande que la seconde. Toujours dans ses grandes lignes, l'inven- tion vise également un procédé permettant de provoquer un écoulement ou une densification d'une première partie d'une structure située à proximité immédiate d'une secon- de partie de ladite structure, ladite première partie étant du'type dans lequel un écoulement ou une densifi- cation sont provoqués en réponse à l'application de cha- leur, ledit procédé consistant à appliquer un faisceau laser à ladite première partie pour la chauffer. L'invention sera mieux comprise à la lec- ture de la description détaillée qui suit et à l'examen des dessins joints qui en représentent, à tiire d'exemple non limitatif, un mode de réalisation. Sur ces dessins: @ Les Figures 1 à 5 sont une série de vues schématiques mettant en évidence la mise en oeuvre pra- tique du procédé suivant l'invention; et 5. La- Figure 6 est une vue graphique de pro- fils de température théoriques de verre au phosphosilicate en fonction de la densité dténergie incidente pour une impulsion ou temps dt'immobilisation de laser de 10-3 se- conde, correspondant respectivement au mode laser pulsé ou déclenché et au mode laser continue Comme indiqué ci-dessus, les Figures 1 à 5 représentent les phases du procédé suivant l'invention. Dans l'exemple représenté sur la Figure 1, une structure semi-conductrice 10 représentée par un dispositif O.S. comprend une première partie 12 i base de dioxyde de silicium (SiO2) qui se présente sous la forme de verre au phosphosilicate revêtu par croissance d'oxyde de silicium déposé en phase vapeur, ladite partie 12 se trouvant à proximité immédiate d'une seconde partie 14 de la structure. Cette seconde partie comprend un substrat en silicium 16 dans lequel est formée une région source- drain 18, une région d'oxyde 20 et une interconnexion en silicium polycristallin 22e Un oxyde d'isolement 24 est également inclus0 Pour donner un exemple type, la dimen- sion "A" peut être de l'ordre de 1,0 à 1,5 pm, la dimen- sion "B" de l'ordre de 094 En à 0,6 pm et la dimension "C" i l'ordre de 0,4 nm à 0,6 pm. - Comme indiqué précédemment et comme décrit plus loin de façon plus détaillée, il est désirable d'appliquer de la chaleur au verre au phosphosilicate 12 pour provoquer sa densification et/ou son écoulement. Comme également mentionné ci-dessus, on comprendra aisé- ment qu'il est désirable de maintenir la partie 14 à une température relativement basse, de manière à éviter des effets indésirables de diffusion d'impuretés de dopage, d'alliage avec de telles impuretés et/ou de contamination par celles-ci. La base du procédé suivant l'invention est l'utilisation de maximums d'absorption de dioxyde de silicium centrés à environ 1080 cm-1 (largeur de bande FWHM d'environ 240 cm) avec un coefficient d'absorption d'environ 3 x 104 cm 1. Cette bande d'absorption convient bien pour un couplage avec l'émission à 9,261,m (1080 cm1) d'un laser à balayage au gaz carbonique (CO2) con- venable, tel qu'indiqué symboliquement en 30, qui peut être, par exemple; t un laser au gaz carbonique modèle 560 fabriqué par Apollo Lasers Inc. 6357 Arizona Circle, Los Angeles, CA 90045, U.S.A. Pour une composition à base de dioxyde de silicium contenant jusqu'à 20 moles % d'anhydride phosphorique, la bande d'absorption de 1080 cm 1 décroît de façon monotone à mesure que croit le pourcentage de moles d'anhydride phosphorique. Des con- centrations comparables de trioxyde de bore (B203), de pentoxyde d'arsenic (As205) ou de pentoxyde d'antimoine (Sb205) dans le dioxyde de silicium présentent des caractéristiques d'absorption analogues. Des additions de nitrure de silicium (Si3N4) au dioxyde de silicium se comportent également d'une manière analogue. Ainsi, tout matériau à base de dioxyde de silicium contenant plus d'environ 80 moles % de dioxyde de silicium, qu'il soit cristallin ou amorphe, peut être efficacement couplé à la sortie d'un laser au gaz carbonique, et de préféren- ce, d'un laser de ce type accordable. A la longueur d'onde considérée, une métal- lisation a provoqué des pertes par réflexion de plus de % environ, de sorte que, pratiquement, aucune conduc- tion de chaleur n'a lieu. En outre, la grande conducti- vité thermique de la métallisation se comporte comme un dissipateur de chaleur, qui éloigne la chaleur du dispositif actif. Pour du silicium tel que le matériau du substrat 16, l'absorption se produit par l'inter- 2 4 8 151 7 médiaire d'une photo-excitation de porteurs libres avec une petite contribution due à l'excitation multi-phonon. L'absorption est proportionnelle à la concentration en impuretés de dopage et inversement proportionnelle à la mobilité des porteurs. En consequence, l'efficacité de couplage est notablement plus faible pour du métal ou pour du silicium que pour le matériau 12 à base de dioxyde de silicium. La temperature T dans un solide chauffé par un faisceau laser d'intensité incidente I0 est donnée (1) par: Io(I-R) T = D2T + ep (= Z) (I) ?cp p o D est la diffusivité thermique, P la masse spécifique, Cp la chaleur spécifique, R la réflectance, o le coeffi- cient d'absorption, Z la coordonnée parallèle au rayonne- ment incident, et: v 2T + 2 T + + T R 2T (A) CX2 ay2 az2 o X, Y, et Z sont les coordonnées cartésiennes du solide. Dans le cas d'un écoulement de verre au)hospho- silicate provoqué par un laser, on ac -1 avec la température, que I soit spatialement et temporel- lement uniforme et qu'aucune chaleur latente due à des transitions de phase ne soit impliquée, la solution de l'équation (I) est: Io (I-R)() z T(Zt) = T0 + C 2 i erfc (2) o DCpD 2ie 2(Dt) o To est la température initiale et o T(Zt) est la temperature en un point Z et à l'instant t, O t ti, tI étant la largeur d'impulsion ou temps d'immobilisation du rayonnement incident. Pour du verre au phosphosilicate, on suppo- sera qu'on a les constantes de matériau suivantes: D = 6 x10-3 cm2 s-1 p 2,27 g cm3 C = 1,0 J g-1 oC-1 R = 0,525 Dans ces conditions, on a tracé sur la Figure 6 le profil de température calculé T(Z,t) - T en fonction de Z pour o t = 0,001 s et Io = 10, 11, 12 et 13 MW cm 2. Ces courbes suggèrent que pour des épaisseurs de verre au phospho- silicate supérieures à environ 1 fm, il existe d'impor- tants gradients thermiques qui maintiennent la surface du substrat à une température relativement froide pendant l'écoulement. Dans la gamme d'épaisseur de verre au phosphosilicate normale de 0,5 à 1,5 pM, la Figure 6 suggère que cette dernière valeur maximale de l'épaisseur du verre, au phosphosilicate est optimale pour le but visé, tandis qu'une augmentation d'épaisseur considérable n'apporterait aucun avantage. Pour supporter ce qui pré- cède, on peut considérer que 12 MW cm2 produisent une température superficielle de 1156 , tandis que la tempé- rature à des profondeurs de 0,98, 1,47 et 2,45,pm est de 792 C, 6640C et 409 C, respectivement. La partie sous- jacente 14 n'est alors jamais soumise à des températures élevées. Si l'on chauffe le substrat, on remarquera que TO croit tandis que la densité d'énergie nécessaire pour obtenir une certaine valeur de T(Z,t)-To décroît. On constatera d'après ce qui précède que le procédé suivant l'invention offre cet avantage très important qu'on peut amener la partie 12 à s'écouler et/ou à se densifier en lui appliquant de la chaleur par utilisation du laser 30, mais on remarquera en outre que la partie 12 est chauffée dans une mesure notablement plus grande que la partie 14. Comme décrit précédemment, on peut voir que la surface du verre au phosphosilicate 12 peut être chauffée à une température élevée, tandis que le verre au phosphosilicate, à une profondeur d'en- viron 1,47 Em. n'est chauffé qu'à une température beau- coup plus basse. Le résultat du procédé décrit ci-dessus est représenté sur la Figure 2. On peut voir qu'un haut degré d'uniformisation de la surface 13 du verre au phosphosilicate 12 a été obtenu. Cela est hautement desirable à des fins de gravure, étant donné que la disposition de la fenêtre de gravure définie par des techniques bien connues d'utilisation du vernis photo- sensible appelé "photoresîist" peut être réalisée de façon précise. Ce résultat est à comparer avec la Figure 1, dans laquelle, si la gravure avait eu lieu sans cet écoulement, les bords du photoresist auraient été dispo- sés approximativement aux emplacements o les "épaule- ments" 13A, 13B sont définis par le verre au phospho- silicate 12. En outre, grace à la forme relativement lisse du verre au phosphosilicate 12, tel que représenté sur la Figure 2, la gravure peut être contrôlée à volonté dans une plus large mesure. Le résultat de cette gravure de la struc- ture de la Figure 2 est représenté sur la Figure 3. On remarquera que, tandis qu'une gravure pénétrant jusqu'au substrat 16 à l'emplacement choisi et de la manière choisie a été réalisée, des arêtes vives 13C, 13D sont maintenant définies par le verre au phosphosilicate 12. On répète alors le procédé décrit ci-dessus de la même manière, ce qui provoque un nouvel écoulement du verre au phosphosilicate 12, de manière à uniformiser toute la surface 13 du verre au phosphosilicate, comme représenté sur la Figure 3 et, en particulier, de manière à aplanir les arêtes 13C, 13D représentées sur la Figure 3. La structure résultante est représentée sur la Figure 4. L'uniformisation du verre au phospho- silicate 12 jusqu'à la forme représentée sur la Figure 4 permet de placer convenablement les fils d'aluminium 32, 34, comme représenté sur la Figure 5; on remarquera qu'eI fait, les Figures 1 à 4 montrent le traitement appliqué à la moitié de droite de la structure de la Figure 5, dont on peut voir aisément qu'elle constitue un disposi- tif MOS. On est ainsi assuré qu'aucune fissuration des fils d'aluminium 32,34, ne se produira. On comprendra aisément que, bien qu'une structure MOS soit représentée dans l'exemple donné du procédé suivant l'invention, ce procédé peut être aisé- ment utilisé dans des structures bipolaires. En outre, comme décrit précédemment, le procédé est intrinsèquement indépendant du nombre de moles % d'anhydride phosphorique de pentoxyde d'arsenic ou de trioxyde de bore jusqu'à concurrence d'environ 20 moles %. - GrAce à l'utilisation d'un laser comme dé- crit ci-dessus, on peut voir également qu'on peut provo- quer l'écoulement de zones extrêmement petites, si on le désire. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation particulier représenté et décrit; elle est susceptible:de nombreuses variantes sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit ni du domaine de l'invention. R E V E N D I C AT I 0 N S 1o - Procédé permettant de provoquer un écoulement ou une densification d'une première partie à base de dioxyde de silicium (Si02) d'une structure, ladite première partie étant disposée à proximité im- médiate d'une seconde partie de ladite structure et ladite première partie étant du type dans lequel un écoulement ou une densification sont provoqués par application de chaleur, ledit procédé étant caracté- risé en ce qu'on chauffe ladite première partie dans une mesure notablement plus grande que la seconde. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la première partie est en verre au phosphosilicate revêtu par croissance d'oxyde de silicium déposé en phase vapeur. 3. - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une portion de la seconde partie est métallique. 4. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'opération de chauffage de la première partie dans une mesure notablement plus grande que la seconde comprend l'application d'un fais- ceau laser à ladite première partie. 5. - Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise un laser au gaz carbonique (C02) pour appliquer ledit faisceau laser. - Procédé suivant la revendication , caractérisé en ce qu'on utilise un laser au gaz carbonique accordable. 7. - Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la première partie est en verre au phosphosilicate revêtu par croissance d 'oxy- de silicium déposé en Dhase vapeur. 8. - Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une portion de la seconde partie est métallique. 9. - Procédé permettant de provoquer l'écoulement ou la densification d'une première partie d'une structure, ladite première partie étant disposée à proximité immédiate d'une seconde partie de ladite structure et étant du type dans lequel un écoulement ou une densification sont provoqués par application de chaleur, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on applique un faisceau laser à ladite première partie pour la chauffer. 10. - Procédé suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'on utilise un laser au gaz carbonique accordable pour appliquer ledit faisceau laser.