Brevet FR2599892A1 — publié le 19871211

PROCEDE D'APLANISSEMENT D'UN SUBSTRAT SEMI-CONDUCTEUR REVETU D'UNE COUCHE DIELECTRIQUE La présente invention concerne un procédé d'aplanissement d'un substrat semi-conducteur revetu d'une couche diélectrique, Elle s'applique notamment à la fabrication de circuits intégrés. On sait que durant La fabrication d'un circuit intégré, les dépôts et gravures successifs de couches diélectriques et de couches conductrices modifient de façon croissante le relief du substrat de ce circuit. Les variations topographique de ce substrat créent des problèmes tant du point de vue du dépôt des couches conductrices suivantes (et notamment des problèmes de recouvrement de marches abruptes) que du point de vue de la Lithographie (les variations d'épaisseur d'une couche de résine photosensible utilisée pour cette lithographie, au voisinage desdites marches, induisant des pertes de cote latérale). On cherche donc à aplanir les couches diélectriques au premier niveau de l'isolement latéral puis aux niveaux supérieurs d'interconnexion. On souhaite aboutir au moins à un relief adouci (marches à bords arrondis) et au mieux à une surface plane. Lorsque les étapes de lithographie qui suivent sont réalisées par photorépétition directe sur tranche, il est souhaitable d'obtenir une bonne homogénéité de surface du substrat pour des questions de focalisation. On rappelle que lthomogénéite de surface est de l'ordre de +2 pour une couche d'oxyde thermique. On connait déjà un procédé d'aplanissement selon lequel une couche 2 de résine, dont la surface est plane, est déposée sur ur. substrat semi-conducteur 4 que l'on souhaite aplanir (figure la), après quoi la planéité de la surface de la couche de résine est transférée dans le substrat 4 par gravure ionique réactive en utilisant un mélange de gaz tel que la résine et le substrat soient gravés à la même vitesse (figure lob). On obtient par ce procédé un aplanissement effectif qui dépend de l'épaisseur de la couche de résine déposée. On observe aussi que le profil de cette couche de résine varie avec la taille et la périodicité des marches que comporte Le substrat. Ceci implique que le profil transféré par gravure dans ce substrat a des altitudes variables selon la taille et l'espacement des motifs structuraux du circuit intégré formé sur ce substrat. Les altitudes obtenues varient de la cote 0 (correspondant à une zone plane sans motifs) à la cote ho (correspondant à une marche semi-infinie), comme on le voit sur la figure 2. Le transfert d'un tel profil dans le substrat conduit donc à sous-graver les mésas ou les marches semi-infinies et à sur-graver des zones telles que les petits motifs. Pour remédier à ces inconvénients, on peut utiliser un procédé d'aplanissement déjà connu, dont différentes étapes sont représentées sur les figures 3a à 3e, et qui consiste : - à déposer une couche 6 de résine photosensible positive sur un substrat semi-conducteur revêtu d'une couche diélectrique 8 à aplanir (figure 3a), - à insoler la résine à travers le contre-masque 1C du substrat qui est revêtu de la couche diélectrique (figure 3b), - s développer la couche 6 de résine insolée (figure 3c), effectuer un traitement thermique de la couche de résine insolée (figure 3d), - à déposer une deuxième couche de résine ap'ar-::ssarte sur la couche diélectrique 8 munie de la première couche de résine traitée thermiquement, ce qui conduit a une couche 12 de résine de surface relativement plane (figure 3e), et transférer La planéité de cette couche 12 dans la couche diélectrique, par gravure par plasma. Le traitement thermique subi par la premiers couche de résine, après insolation et développement de celle-ci, améliore l'apLanissement et l'alignement des plots de résine par fluage thermique et réticule la résine, ce qui permet de déposer la deuxième couche de résine sans problème d'interface. On obtient ainsi une couche diélectrique dont la surface est sensiblement plane et comporte des ondulations résiduelles dont la hauteur maximale est de L'ordre de 60 nm, L'homogénéité de la surface dépendant du procédé de gravure utilisé. La technique décrite en référence aux figures 3a à 3e donne de meilleurs résultats que la technique décrite en référence aux figures la et lb mais présente un certain nombre d'inconvénients Elle nécessite d'ajuster avec précision L'épaisseur de la première couche de résine de manière à obtenir Le résultat représenté sur La figure 3e. L'aplanissement est donc sensible aux variations de la hauteur des marches du substrat et aux variations de viscosité de la résine photosensible utilisée. En outre, l'homogénéité finale dépend de l'homogénéité de gravure par plasma. En gravure ionique réactive classique, l'homogénéité de gravure est d'environ +3 à 4X de l'épaisseur totale å graver (épaisseur de résine plus épaisseur de diélectrique à graver). Or obtiert alors généralement des var at ons d'e'passeur finale de L'ordre de + 4C à + 6C ntn d'un bcrc à l'autre du substrat airsi grave. L'homogénéité de surface ainsi obtenue n'est pas assez bonne pour ne pas causer de problèmes de focalisation en protoithographie par photorépetitior; directe sur tranche. Au cours de la fabrication d'un circuit intégré, or est égalerrent amené à aplanir des couches diélectriques d'interconnexion. L'aplanissement classique de telles couches pose des problèmes tant en ce qui concerne Le profil obtenu qu'en ce qui concerne la gravure necessa re à cet aplanissement, gravure qui n'est pas sélective par rapDort au mater au servant à réaliser les grilles des transistos MOS dont est muni Le circuit. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet un procédé d'obtention d'un substrat semi-conducteur plan, ce substrat ayant été revêtu d'une couche diélectrique comportant des parties en relief, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une formation préalable d'une couche tampon apte à fournir, lors d'une attaque de la couche diélectrique, un signal de détection de fin d'attaque des parties en relief de cette couche diélectrique, ainsi que les étapes suivantes - réalisation, sur le substrat revêtu de la couche diélectrique, d'un contre-masque fait d'une résine, - enlèvement desdites parties en relief et de La résine, et - enlèvement de la couche tampon qui subsiste. La présente invention permet d'obtenir une couche diélectrique dont la surface est plane et a une homogénéité meilleure que 1 20 nm, c'est-à-dire des inhomogénéités ne dépassant pas 20 nm en valeur absolue. De préférence, la résine est une résine photosensible positive, et la réalisation du contre-masque de résine comprend les étapes successives suivantes - dépit d'une couche de ladite résine sur la couche diele?-icue, - inssiaticn de cette couche ce résine à travers Le contre-rrasque du substrat, - développement de la couche dé résine insolée, et - traitement thermique de cette couche insolée. Ce traitement thermique permet ctaméL-crer l'aplarisserienv de la couche de résine par fluage thermique. Selon un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de L'invention, le substrat comprenant des zones actives à flancs verticaux, situées au-dessous desdites parties en relief, la couche tampon est préalablement formée au moins entre les zones actives du substrat et la couche diélectrique, l'enlèvement des parties en relief de la couche diélectrique comprend une gravure sélective de celles-ci et la résine est enlevée après cette gravure sélective. Selon un autre mode de mise en oeuvre particulier, Le substrat comprenant des zones actives à flancs pentus, situées au-dessous desdites parties en relief, la couche tampon est préalablement formée au moins entre les zones actives du substrat et la couche diélectrique, L'enlèvement des parties en relief de la couche diélectrique comprend une gravure pseudo-planarisante de ces parties en relief et de La résine qui se trouve à leur niveau, et la résine qui subsiste est enlevée après cette gravure pseudo-planarisante. Mis en oeuvre avec des substrats à zones actives, le procédé objet de L'invention présente Les avantages suivants : Il ne nécessite pas d'ajuster avec précision L'épaisseur de la couche de résine utilisée. De plus, l'intomogénéité initiale de gravure est faible car elle ne s'applique qu'à des épaisseurs du genre de L'épaisseur ho mentionnée dans La description de la figure 2. En fin de gravure, on débouche donc pratiquement partout sur la couche tampon, en même temps et avec une faible inhomogénéité. Enfin, après aplanissement, l'épaisseur résiduelle de couche tarj-s- es, enlevée, de sorte que la surface des zones actives a une très borne homogénéite d'un bcrd à L'autre du substrat. L'hore.cénéité finale de la couche diélectrique (ailleurs qu'è L'endroit des zones actives) est identique à l'homogénéité irit aLe du revêtement diélectrique. Senior un autre mode de irise en seiuxre particulier du procédé objet de L'invention, la couche diélectrique étant une couche diélectrique d'interconnexion, la couche tampon est préalablement formée sur toute la surface du substrat muni de cette couche diélectrique, l'enlèvement des parties en relief de la couche diélectrique comprend une gravure pseudo-planarisante de ces parties en relief et de la résine qui se trouve à leur niveau, et la résine résiduelle est enlevée après cette gravure pseudo-planarisante. L'enlèvement de La couche tampon utilisée dans la présente invention peut être précédé d'une gravure chimique de finition de la surface de la couche diélectrique restante. Ceci permet d'éliminer d'éventuels résidus de résine. De préférence, la couche tampon est faite d'un matériau électriquement isolant, apte à fournir ledit signal et différent du matériau dont est faite la couche diélectrique, afin d'éviter tout problème de court-circuit qui risquerait de se poser au cas où la couche tampon ne serait pas isolante et n'aurait été qu'en partie enlevée. Enfin, de-préférence, la couche diélectrique est faite de silice et la couche tampon de nitrure de silicium Si N l'utilisation de ce dernier matériau étant courante dans le domaine de la fabrication de circuits intégrés. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de mise en oeuvre donnés à titre purement indicatif et nullement Limitatif, en référence aux dessins annexés sur LesqueLs - les figures la et lb illustrent la mise en oeuvre d'un procédé connu d'aplanissement d'un substrat semi-conducteur et ont déjà été décrites, - La figure 2 montre le relief d'un tel substrat revêtu d'une couche de résine prévue pour l'aplar-ssement du substrat par ce procédé, et a donc été décrite, - les figures 3a à 3e illustrent des étapes d'un procédé connu c!'ap.anissement d'un substrat semi-conducteur revêtu d'une couche diélectrique et ont dé à été décrites, - les figures 4a å 49 illustrent schématiquement diverses étapes d'un procédé selon l'invention, permettant l'aplanissement d'un isolement latéral BOX å flancs verticaux, - les figures Sa à 5f illustrent schématiquement diverses étapes d'un procédé selon l'invention, permettant l'aplanissement d'un isolement Latéral BOX à flancs pentus, et - les figures 6a à 6h illustrent schématiouemert un procédé selon L'invention, permettant l'aplanissement d'une couche diélectrique d'interconnexion. Sur les figures 4a à 4g, on a représenté schématiquement diverses étapes d'un mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de L'invention, permettant l'aplanissement d'un isolement latéral BOX à flancs verticaux. Plus précisément, on considère un substrat semi-conducteur 14 (figure 4a), par exemple en silicium, comportant des zones actives 16, par exemple destinées à la realisation de transistors MOS, et, en surface, une couche diélectrique 18 par exemple en silice qu'il s'agit d'aplanir par un procédé selon L'invention, étant donné que la couche 18 comporte des parties en relief 19 du fait de l'existence des zones actives 16, celles-ci se trouvant au-dessous desdites parties en relief. Ce procédé requiert des étapes préalables de formation d'une couche tampon 20 sur chacune des zones actives 16 (et donc entre la couche diélectrique 18 et ces zones actives). La couche tampon globale ainsi préalablement formée est par exemple faite de nitrure de silicium et destinée à absorber l'inhomogénéité de gravure par plasma des parties en relief 19 et à fournir un signal de détection de fin d'attaque (gravure) en spectrométrie cteission par exemple. Avant de former la couche tampon 20, on forme sur chacune des zones actives une couche mince de silice 22 qui sert de couche d'accrochage pour la partie de couche tampon correspondante. La couche mince est par exemple une couche d'oxyde therm nue SiC de L'ordre ae 1C à 2C nm c'era sseur. 2 La couche tampon est par exemple une couche de Si N de l'ordre de 1DO à 150 nm d'épaisseur, formée par dépôt chimique en phase vapeur. Le substrat étant muni de ladite couche tampon et de la couche de silice 18, on dépose sur ce substrat une couche de résine photosensible positive 24 (figure 4b). Après quoi, cette couche de résine est insolée à travers le contre-masque 26 du substrat 14 (muni de la couche diélectrique 18). La couche de résine ainsi insolée est ensuite développée (figure 4c) puis traitée thermiquement, ce qui l'aplanit (figure 4d). La couche diélectrique est ensuite gravée sélectivement la gravure étant arrêtée lorsque la couche tampon est atteinte (figure 4e). La résine est alors enlevée (figure 4f) puis la couche tampon résiduelle L'est également (figure 49). Avant d'enlever La couche tampon résiduelle on peut éventuellement effectuer une gravure chimique de finition de la couche diélectrique. Dans le cas d'une couche de silice 18 de 500 nm, l'homogénéité de gravure sélective peut varier d'environ t20 nm. Une couche tampon de 100 nm d'épaisseur est donc amplement suffisante. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la couche mince de siLice est obtenue par oxydation thermique et la couche tampon est en Si N formé par dépôt chimique en phase vapeur ; la résine est du genre de celle qui est commercialisée par la société HUNT sous la référence HPR204 ; l'épaisseur de la couche de résine est de l'ordre de 500 trn, ; l'insolation de la couche de résine est réalisée à l'aide d'une machine d'insolation au genre de celle qui est commercialisée par la société PERKIN ELrEP ;Le traitement thermique est ur recuit å une température de L'ordre de 2500C pendant environ 15 nr ; la gravure séLective est effectuée dans un bat du genre de celui qui est comnercialisé par la SociéTé ALCATEL sous la référence G;F 10C ; cette gravure est réalisée en deux étapes : (a) transfert de gravure utilisant L'oxygène, avec une vitesse de gravure élevée de l'ordre de 300 nm par minute, afin de diminuer l'épaisseur de résine au-dessus des parties en relief, et (b) transfert planarisant utilisant CHF avec une faible vitesse de gravure, de 3 l'ordre de 10C nm par minute ; la détection de fin d'attaque est faite par spectrométrfe d'émission ; la résine est enlevée par gravure au moyen d'un plasma réalisé à partir d'oxygène ou par bain chimique ; la couche tampon est enlevée par gravure chimique dans une solution d'acide phosphorique ; enfin, la gravure de finition de La couche diélectrique peut être effectuée dans un bain d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium. Sur les figures Sa à 5e, on a représenté diverses étapes d'un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, permettant l'aplanissement d'un isolement Latéral BOX qui diffère simplement de l'isolement considéré dans la description des figures 4a à 49 par le fait qu'il est à flancs pentus et non verticaux : il s'agit par exemple d'un isolement BOX gravé chimiquement dans un bain de potasse. Ce procédé comprend également la formation préalable de la couche tampon par exemple en nitrure de silicium (figure 5a) sur les zones actives 16 du substrat 14 par exemple en silicium, ces zones étant préalablement pourvues de couches minces de silice 22 destinées à "accrocher" la couche tampon. Les couches minces 22 et la couche tampon sont formées comme on l'a expliqué dans la description de la figure 4a. La couche tampon étant formée sur les zones actives du substrat (et donc entre celle-ci et la couche diélectrique), le procédé comprend ensuite, comme on L'a déjà expLiqué en référence aux figures 4a à 4d, un dépôt d'une couche de résine photcsersit'e posiTive sur la couche diélectrique (figure Sa), une - irsciarion de la couche de résine à travers le contre-masque du substrat (figure 5b), un développement de la couche de résine insolée (figure 5c) et un traitement thermique de la couche de résine développée (figure 5ci). Après quoi, au lieu d'effectuer une gravure sélective de la couche diélectrique, on effectue plutôt une gravure plasma pseudo-planarisante de la couche de résine et de la couche diélectrique jusqu'à l'atteinte de la couche tampon, c'est-à-dire une gravure au moyen d'un plasma obtenu à partir d'un mélange de gaz tel que les vitesses de gravure dans Le diélectrique et dans la résine soient proches (figure Se). En effet, une gravure sélective de la couche diélectrique donnerait le résultat qui est représenté sur la figure 5f. On observe sur cette figure qu'il resterait après gravure, des sortes d'aspérités de silice 31 à La surface du substrat. Après avoir effectué la gravure pseudo-planarisante, la résine résiduelle 30 est enlevée puis la couche tampon est également enlevée après avoir éventuellement effectué une gravure chimique de finition du diélectrique. La gravure pseudo-planarisante est par exemple effectuée dans un mélange de CHF et de SF6 ou dans un mélange de 3 C2F6 et de O2. Pour une couche diélectrique 18 de 500 nm d'épaisseur, une couche tampon de nm d'épaisseur est suffisante. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la couche mince de silice est obtenue par oxydation thermique et La couche tampon est en Si N formé par dépôt chimique en phase vapeur ; la résine est du, genre de celle qui est commercialisée par la société HUNT sous la référence HPR204 ; l'épaisseur de la couche de résine est de l'ordre de 500 nm ; l'insolation de la couche de résine est réalisée à l'aide d'une-machine d'insolation du genre de celle qui est commercialisée par la société PERKIN ELMER ; le traitement thermique est un recuit à une température de l'ordre de 25t pendant environ 1r ; la gravure pseudc planarisante est effectuée dans un be. du genre de celui oui est commerc#aLisé par la société ALCATEL sous la référence GIR 100 ; la détection de fin d'attaque est faite par spectrométrie d'émission ; la résine est enlevée par gravure au moyen d'un plasma réa':se a partir d'oxygène ou par bain cr--mioue ; la couche tampon est enlevée par gravure chimique dans une solution d'acide phosphorique ; enfin, la gravure de finition de la couche diélectrique peut ê.re effectuée dans un bain d'acide fLucrhydrioue et de fLucrure d'ammonium. Sur Les figures 6a à 6h, on a représenté schématiquement diverses étapes d'un autre mode de mise en oeuvre particulier du procédé objet de l'invention, permettant l'aplanissement d'une couche diélectrique d'interconnexion 32 par exemple en silice (figure 6a). Cette couche est déposée sur un substrat semi-conducteur par exemple en silicium 34, recouvre des zones actives ou des interconnexions 36 formées à la surface de ce substrat et comporte de ce fait des parties en relief 33. En outre, des trous de contact 38 traversent la couche diélectrique jusqu'au substrat et des matériaux de grille 40 peuvent être présents dans ces trous. Le procédé d'aplanissement est Le suivant : une couche tampon 42 par exemple en nitrure de silicium est déposée sur toute la couche diélectrique ainsi que dans les trous 38 que celle-ci comporte (figure 6b). Une couche de résine photosensible positive est déposée sur la couche tampon puis insolée à travers le contre-masque 46 du substrat (figure 6c). La couche de résine 44 est ensuite déveLoppée (figure 6d) puis subit un traitement thermique destiné à l'aplanir (figure 6e). On a ainsi formé un contre-masque de résine 47 sur le substrat. Les flancs des parties en relief 33 que présente la couche diélectrique étant généralement pentus, le substrat ainsi masqué par la résine est alors soumis à une gravure pseudo plara#isarte (figure 6f) au cours de laquelle Les parties en relief 33 de la coucne oiélectrique et la résine située au niveau de ces parties en relief sont gravés, la détection de fin d'attaque étant effectuée > l'aide des parties 48 de la couche tampon autres que celles 49 qui surmontent ces parties en relie; et scrw su#pr-:trées W la gravure pseudo-planarisante. La résine résiduelle 50 située dans Les trous 38 est aLors enlevée (figure 6g) et ce qui reste de la couche tampon est également enlevé (figure 6h) pour aboutir au substrat aplani. L'épaisseur de la couche tampon est par exemple de l'ordre de 100 n. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un substrat semi-conducteur plan, ce substrat (14, 34) ayant été revêtu d'une couche diélectrique (18, 32) comportant des parties en relief (19, 33), ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend une formation préalable d'une couche tampon (20, 42) apte à fournir, Lors d'une attaque de la couche diélectrique, un signal de détection de fin d'attaque des parties en relief de cette couche diélectrique, ainsi que les étapes suivantes - réalisation, sur te substrat revêtu de La couche diélectrique, d'un contre-masque fait d'une résine (24, 44), - enlèvement desdites parties en relief et de la résine, et - enlèvement de la couche tampon qui subsiste. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la résine est une résine photosensible positive, et en ce que la réalisation du contre-masque de résine comprend les étapes successives suivantes - dépôt d'une couche de ladite résine (24, 44) sur la couche diélectrique (18, 32), - insolation de cette couche de résine å travers le contre-masque (26, 46) du substrat, - éeloppement de la couche de résine insolée, et - traitement thermique de cette couche insolée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le substrat (14) comprenant des zones actives (16) à flancs verticaux, situées au-dessous desdites parties en relief, la couche tampon (20) est préalablement formée au moins entre les zones actives du substrat et la couche diéLectrique (18), en ce que L'enlèvement des parties en relief (19) de la couche diélectrique comprend une gravure sélective de celles-ci et en ce que la résine (24) est enlevee après cette gravure sélective. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, Le substrat comprenant des zones actives (16) å flancs pentus, situées au-dessous desdites parties en relief, la couche tampon est préalablement formée au moins entre les zones actives du substrat et la couche diélectrique, en ce que L'enlèvement des parties en relief de la couche diélectrique comprend une gravure pseudo-planarisante de ces parties en relief et de la résine qui se trouve à leur niveau, et en ce que la résine qui subsiste est enlevée après cette gravure pseudo-planarisante. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, la couche diélectrique étant une couche diélectrique d'interconnexion (32), la couche tampon (42) est préalablement formée sur toute La surface du substrat (34) muni de cette couche diélectrique, en ce que l'enlèvement des parties en relief (33) de la couche diélectrique comprend une gravure pseudoplanarisante de ces parties en relief et de la résine qui se trouve à leur niveau, et en ce que la résine résiduelle est enlevée après cette gravure pseudo-planarisante. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que L'enlèvement de La couche tampon (20, 42) est précédé d'une gravure chimique de finition de la surface de La couche diélectrique restante. 7. Procédé 'selon L'une quelconque des reverdications 1 a 6, caractérisé en ce que la couche tampon (20, 42) est faite d'un matér#au électriquement isolant, apte à fournir ledit signal et différent du matériau dont est faite la couche diélectrique (18, 32). b. Procédé selon la revendication 7, caractérisé er ce que la couche diélectrique (18, 32) est faite de silice et la couche tampon (2, 42) de nitrure de silicium.