Brevet FR2667440A1 — publié le 19920403

"Procédé pour réaliser des motifs d'alignement de masques " Description: La présente invention concerne un procédé pour réa- liser des motifs d'alignement de masques sur une face active d'un substrat semiconducteur selon lequel on forme d'abord sur cette face active au moins une couche d'un matériau résistant à l'oxydation, puis on définit par un décapage localisé de cette couche des zones pour un isolement par un oxyde épais, dit oxyde de champ, en même temps que les motifs d'alignement, et lors d'une étape ultérieure, les zones pour l'isolement par oxyde de champ et lesdits motifs d'alignement ainsi délimité, sont soumis à une oxydation thermique, le reste de la surface active étant protégé de l'oxydation par une partie restante de la couche de matériau anti-oxydation. Un procédé de ce genre est connu du document JP Abstract 61-100928, 157 E 439. Selon le procédé connu, les motifs d'alignement sont définis en même temps que les zones d'isolement par oxyde de champ On obtient ainsi un positionnement relatif de ces éléments qui est conforme à la précision de l'appareillage utilisé et donc exempt d'une erreur possible de réalignement à cette étape. Dans la fabrication d'un microcircuit du type à transistors MOS, il s'agit en fait de la première opération de définition d'une structure localisée à la surface du subs- trat Les opérations ultérieures de masquage nécessiteront un alignement des masques le plus précis possible par référence aux motifs d'alignement préétablis Avec l'avènement des tech- nologies submicroniques, il devient nécessaire de réduire le plus possible les erreurs de positionnement des masques par rapport aux motifs d'alignement définis sur le substrat et on se tourne, dans ce but, vers des méthodes optiques très élabo- rées qui procurent un alignement automatique, à 0,2 pm près, au moyen de servomécanismes de haute précision. Toutefois, de tels procédés d'alignement de masques requièrent nécessairement que les motifs d'alignement se pré- sentent sous une forme géométrique et une profondeur de déni- vellation optimales en vue de leur utilisation par un procédé optique basé sur la formation de figures d'interférence. Le procédé connu repose sur la création de dénivel- lations par un décapage des motifs d'alignement utilisant com- me masque des parties d'oxyde de champ réservées à cet effet. Il en résulte que les motifs d'alignement sont alors composés de parties en dénivellation (dépressions) o le substrat est découvert, et d'autres parties qui sont recouver- tes de l'oxyde de champ, ce qui présente des inconvénients pour la formation des figures d'interférences ayant un bon contraste Il serait au contraire souhaitable d'obtenir des motifs d'alignement protégés par une couche d'oxyde, de&préfé- rence ayant une épaisseur uniforme, tout en conservant un mi- nimum d'étapes opératoires. L'invention vise donc à procurer un procédé pour réaliser des motifs d'alignement en un nombre restreint d'éta- pes, qui ne présente pas l'inconvénient mentionné, et dont la durée des traitements à haute température, soit limité au mi- nimum requis pour la réalisation de l'oxyde de champ. Ces buts sont atteints, selon l'invention, par un procédé pour réaliser des motifs d'alignement de masques con- forme au paragraphe introductif, qui est caractérisé en ce qu'après le décapage localisé de la couche de matériau anti- oxydation, et en se servant des parties restantes de la couche anti-oxydation comme masque, on réalise à la surface du subs- trat des dénivellations de profondeur déterminée, au moins à des emplacements qui contiennent les motifs d'alignement, em- placements appelés fenêtre d'alignement, en ce que la surface du substrat est ensuite mise à nu à l'intérieur desdites fenê- tres, et en ce qu'on effectue enfin une étape d'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ au cours de laquelle les motifs d'alignement sont simultanément recouverts d'oxyde. Ce procédé offre l'avantage de produire des motifs d'alignement protégés par une couche d'oxyde d'épaisseur uni- forme Par ailleurs les parties restantes de couche anti-oxy- dation sont préservées (en dehors des fenêtres d'alignement) et celles-ci peuvent être conservées lorsque cela s'avère uti- le dans la suite de l'élaboration des dispositifs La préci- sion de positionnement des motifs d'alignement par rapport aux zones d'oxyde de champs est optimale puisqu'elle résulte d'ou- vertures pratiquées simultanément dans la couche anti-oxyda- tion. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'inven- tion, le procédé se caractérise en ce que lesdites dénivella- tions sont réalisées par une étape spécifique d'oxydation thermique dans des conditions telles qu'elle conduit à une conversion en oxyde du semiconducteur sur une profondeur égale à ladite profondeur déterminée, et qu'après avoir mis à nu la surface du semiconducteur à l'intérieur desdites fenêtres d'a- lignement, on effectue l'étape d'oxydation déjà mentionnée pour la réalisation de l'oxyde de champ, qui est complémentai- re de l'étape spécifique d'oxydation. Dans ce mode de mise en oeuvre, les dénivellations produites à la surface du semiconducteur ont une profondeur contrôlable avec une exellente précision, typiquement 10 nm. Ledit traitement spécifique d'oxydation thermique constitue alors une première étape de formation de l'oxyde de champ qui ne fournit qu'une fraction seulement de l'épaisseur finale dé- sirée Après la mise à nu de la surface du semiconducteur dans lesdites fenêtres d'alignement, l'étape d'oxydation thermique précédemment mentionnée, constitue alors une étape d'oxydation complémentaire aboutissant à un oxyde de champ d'épaisseur dé- sirée à ce stade du processus d'élaboration, tandis que les motifs d'alignement sont recouverts d'une couche d'oxyde d'é- paisseur homogène plus faible. Un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention se caractérise en ce que lesdites dénivellations sont réalisées par décapage sélectif, uniquement dans les fe- nêtres d'alignement qui sont délimitées au moyen d'un masque de résine photosensible, et en ce qu'on retire ensuite, dans lesdites fenêtres et avec le même masque, les parties restan- tes de couche anti-oxydation après quoi on retire le masque de résine photosensible et on procède à une seule étape d'oxyda- tion thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ. Selon ce mode de mise en oeuvre du procédé, le dé- capage sélectif produisant les dénivellations est obtenu par une attaque dans un plasma ou encore dans une solution d'atta- que sélective de préférence à vitesse d'attaque faible pour obtenir la précision désirée de la profondeur des dénivella- tions Le masque de résine photosensible ne nécessite pas une précision rigoureuse de positionnement puisqu'il suffit que lesdites fenêtres d'alignement englobent les motifs d'aligne- ment Le traitement d'oxydation est ensuite réalisé en une seule fois et conduit à une épaisseur de couche d'oxyde qui est la même aussi bien sur les zones d'isolement (oxyde de champ) que sur les motifs d'alignement. En variante de ce mode de mise en oeuvre du procé- dé, on peut également réaliser les dénivellations dans les zo- nes d'isolement Ce procédé se caractérise par le fait que lesdites dénivellations sont réalisées par décapage sélectif, en utilisant uniquement la couche anti-oxydation comme masque sélectif, en ce qu'on retire ensuite, uniquement dans les fe- nêtres d'alignement qui sont alors délimitées au moyen d'un masque de résine photosensible, les parties restantes de cou- che anti-oxydation, après quoi on retire le masque de résine photosensible et on procède à une seule étape d'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ. Dans ce cas, l'oxyde de champ se trouve alors en- foncé dans le substrat d'une profondeur correspondant aux dé- nivellations ce qui peut présenter un avantage pour le proces- sus d'élaboration du dispositif. Avantageusement, la profondeur des dénivellations est voisine du 1/4 de la longueur d'onde de la lumière mise en oeuvre pour l'exploitation des motifs d'alignement, en général elle est comprise entre 100 et 150 nm et de préférence égale à nm 10 nm Ainsi, le contraste optique obtenu au cours des opérations ultérieures d'alignement de masques est le meilleur. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription qui va suivre en regard des dessins annexés, et qui est relative à des exemples non limitatifs. Sur les dessins, les figures 1 à 5 représentent, par des coupes schématiques, différentes étapes au cours du procédé de réalisation de mo- tifs d'alignement de masques dans un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention, les figures 6 à 8 montrent des vues analogues, relatives à un deuxième exemple de réalisation du procédé et, les figures 9 à 11 sont relatives à un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention. Il est à noter que sur les figures, les proportions entre les différentes parties n'ont pas été respectées, par souci de clarté, et notamment les épaisseurs ont été notable- ment exagérées Sur les différentes figures, les éléments qui se correspondent dans la même fonction sont affectés des mêmes signes de référence. En se référant à la figure 1, sur une face active 11 d'un substrat semiconducteur 12, notamment en silicium mo- nocristallin, une couche 13 en un matériau résistant à l'oxy- dation a été formée La couche 13 telle que représentée sur les figures comme étant une couche homogène, est le plus sou- vent formée d'une succession d'une mince couche d'oxyde sur- montée d'une couche de nitrure de silicium ou encore formée d'une couche d'oxy-nitrure de silicium ou par des couches suc- cessives de ces matériaux L'ensemble est revêtu d'un masque de résine photosensible 14 présentant d'une part des ouvertu- res 15 correspondant à l'emplacement de zones d'isolement par oxyde de champ, et d'autre part une pluralité d'ouvertures 17 dont l'ensemble constitue un motif d'alignement de masques 18. Les parties de la couche 13 de matériau anti-oxyda- tion qui sont situées dans les ouvertures 15 et 17, sont reti- rées par décapage de préférence dans un plasma à base d'ions de fluor ou d'ions de chlore dans des conditions qui assurent un décapage sélectif par rapport au substrat ou par rapport à une sous-couche d'oxyde, le cas échéant La couche anti-oxyda- tion peut encore être gravée sélectivement dans un bain d'aci- de phosphorique chaud Lorsque la couche 13 de matériau anti- oxydation comporte une sous-couche mince en oxyde de silicium, cette sous-couche peut être retirée ou non dans les ouvertures et 17 ce qui n'entraîne aucune conséquence notable pour la suite du procédé. Comme l'indique la figure 2, le masque 14 de résine photosensible est alors retiré et il subsiste les ouvertures 17 ' et 15 ' dans la couche 13 Le substrat de semiconducteur est soumis à un traitement d'oxydation thermique dans un four à 10000 environ pendant 40 mm sous une atmosphère constituée d'un mélange de vapeur d'eau et d'oxygène Il se forme une couche d'oxyde localisé d'une part, une partie de couche 19 correspondant à l'emplacement des zones d'isolement par oxyde de champ et également des éléments localisés 20 d'oxyde à l'emplacement des motifs d'alignement 18 Les éléments locali- sés 19 et 20 d'oxyde ont une épaisseur d'environ 280 nm tandis que la dénivellation d créée par la conversion du semiconduc- teur en oxyde est environ égale à 125 nm Le résultat obtenu à ce stade du procédé est représenté à la figure 3. Le traitement d'oxydation thermique, qui vient d'être indiqué, est analogue à celui qui est généralement uti- lisé pour réaliser un oxyde de champ, mais dans le cas présent il s'agit d'une étape spécifique destinée à définir les motifs d'alignement 18 mais qui fournit en même temps une fraction de l'épaisseur finale désirée pour l'oxyde de champ. On se réfère maintenant à la figure 4 pour les éta- pes suivantes du procédé L'ensemble précédent est revêtu d'un autre masque 22 de résine photosensible, muni de fenêtres 28 appelées "fenêtres d'alignement" qui englobent les positions des motifs d'alignement 18, tandis que le reste de la surface est protégé par ce masque 22 Puis la surface du semiconduc- teur dans lesdites fenêtres 28 est mise à nu par décapage sé- lectif vis-à-vis du silicium, par exemple, au moyen d'un bain d'acide phosphorique chaud suivi d'un bain d'acide fluorhydri- que tamponé ou encore par un décapage par plasma d'ions fluor ou d'ions chlore. Il est à remarquer que le positionnement des fenê- tres d'alignement 28 n'est pas nécessairement très rigoureux car ce sont les dénivellations 23 laissées par la consommation de semiconducteurs ayant servi à former les éléments localisés d'oxyde de silicium qui constituent la trace précise des motifs d'alignement en cours de réalisation. La figure 5 montre le résultat obtenu à la suite des opérations aboutissant à la réalisation simultanée de l'o- xyde de champ et des motifs d'alignement de masque Ces opéra- tions consistent à retirer le masque 22 et à soumettre le sub- strat semiconducteur à une seconde étape d'oxydation thermique à 10000 pendant 75 mm sous oxygène humide, permettant d'abou- tir à des zones d'oxyde de champ 19 ' d'une épaisseur de 500 nm telle qu'elle est désirée pour la suite du procédé d'élabora- tion du dispositif semiconducteur intégré, tandis que les mo- tifs d'alignement 18 se trouvent oxydés en surface par le même traitement et ainsi revêtus d'une couche d'oxyde 24 d'une épaisseur voisine de 410 nm environ. On peut remarquer que les motifs d'alignement 18 sont constitués d'une part à la surface de la couche d'oxyde 24 par des dénivellations 25 dont la forme est déduite direc- tement des dénivellations 23 réalisées précédemment dans le matériau semiconducteur, et d'autre part par des dénivella- tions 26 situées à l'interface entre le semiconducteur 12 et la couche localisée d'oxyde 24, qui ont été formées par oxyda- tion et sont obtenues par translation par rapport aux dénivel- lations 25 Au cours de cette translation, il se produit un léger élargissement de géométrie des dénivellations 26 qui se répartit de manière symétrique par rapport au centre des déni- vellations du fait que le phénomène d'oxydation peut être con- sidéré comme parfaitement isotrope à cette échelle de dimen- sion Que ce soit la surface supérieure de la couche d'oxyde 24, (si elle est ultérieurement métallisée) qui est utilisée optiquement pour une opération d'alignement, ou encore la sur- face du semiconducteur, dans tous les cas l'axe de symétrie de chaque motif d'alignement est parfaitement conservé et les opérations d'alignement de masques ultérieurs peuvent être très précis, en se référant au pas et à la position moyenne de l'ensemble des éléments des motifs. Les figures 6 à 8 vont servir maintenant à décrire un deuxième exemple de réalisation du procédé selon l'inven- tion Dans cet exemple, les étapes qui ont été décrites à pro- pos des figures 1 et 2 sont identiques. Après avoir ouvert les fenêtres 17 ' et 15 ' dans la couche antioxydation 13 et comme indiqué à la figure 6, on recouvre l'ensemble par un masque 22 identique dans sa forme et sa nature au masque 22 décrit à propos de la figure 4 Il présente donc des fenêtres d'alignement 28 qui comprennent les motifs d'alignement 18 Dans les fenêtres d'alignement 28, on creuse alors directement dans le semiconducteur 12 des déni- vellations (ou dépressions) 23 en se servant des portions res- tantes 13 ' de la couche 13 de matériaux anti-oxydation, pré- sentes dans ladite fenêtre, dépressions pratiquées sur une profondeur de 130 nm environ Les dépressions 23 sont obtenues par décapage sélectif vis-à-vis du masque 22 de résine photo- sensible et vis à vis de la couche 13 ' de matériaux anti-oxy- dation Un mélange d'acides nitrique, fluorhydrique et acéti- que peut être utilisé à cet effet Un décapage anisotrope, par plasma, peut également être utilisé et la sélectivité obtenue par exemple au moyen d'une sous-couche d'oxyde située sous la couche anti-oxydation 13. Comme indiqué à la figure 7, on conserve le masque 22 et, dans les fenêtres d'alignement 28, on retire les par- ties restantes 13 ' de couche anti-oxydation pour y mettre à nu la surface du substrat semiconducteur 12. On retire alors le deuxième masque 28 et on soumet l'ensemble à un traitement d'oxydation thermique qui, en une seule étape, fournit l'épaisseur d'oxyde désirée pour l'isola- tion par oxyde de champ. La figure 8 indique le résultat obtenu à la suite de cette étape Ce résultat est très comparable à celui obtenu dans l'exemple précédent et décrit à la figure 4 Toutefois, la couche localisée d'oxyde 24 ' homologue de la couche 24 de la figure 5 est ici de la même épaisseur que l'oxyde de champ 19 ' puisque ces couches sont réalisées au cours de la même étape d'oxydation Les motifs d'alignement 18 obtenus ici pré- sentent à nouveau une surface supérieure d'oxyde qui comporte des dénivellations 25 conformes aux dénivellations 23 réali- sées dans l'étape précédente à la surface du substrat semicon- ducteur, ainsi que des dénivellations 26 à l'interface semi- conducteur/oxyde et qui présentent des propriétés géométriques et optiques qui conviennent à la fonction d'alignement précis des opérations ultérieures de masquages. Une variante d'exécution du procédé qui vient d'ê- tre décrit est illustrée au moyen des figures 9 à 11 Selon cette variante, des dénivellations 23 correspondant aux motifs d'alignement 18, ainsi que des dénivellations 29 correspondant aux zones d'isolement par oxyde de champ sont réalisées par décapage sélectif en utilisant uniquement la couche anti-oxy- dation 13, munie des fenêtres 17 ' et 15 ', comme masque sélec- tif (voir figure 9) Le masque 22 de résine photosensible muni des fenêtres d'alignement 28 n'est appliqué qu'ensuite, figure , de manière à retirer les parties restantes 13 ' de couche anti-oxydation uniquement dans lesdites fenêtres 28 _ Ensuite, on retire le masque 22 et on procède, en une seule étape, à l'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ 19 ' dans les zones correspondantes Au cours de cette étape, (figure 11), les motifs d'alignement 18 se trouvent également oxydés par une couche 24 ' de même épais- seur que l'oxyde de champ et qui comporte, comme à la figure 8 des dénivellations 25 et 26, respectivement à la surface supé- rieure de la couche d'oxyde 24 ', et à l'interface entre cette couche et le substrat semiconducteur 12. La seule différence de résultat par rapport au pro- cédé décrit en référence à la figure 8 est qu'ici les zones d'oxyde de champ 19 ' se trouvent légèrement enfoncées dans le substrat selon une profondeur correspondant aux dénivellations 29, creusées préalablement à l'oxydation. REVENDICATIONS 1 Procédé pour réaliser des motifs d'alignement de masques sur une face active d'un substrat semiconducteur selon lequel on forme d'abord sur cette face active au moins une couche d'un matériau résistant à l'oxydation, puis on définit par un décapage localisé de cette couche, des zones pour un isolement par un oxyde épais, dit oxyde de champ, en même temps que les motifs d'alignement, et lors d'une étape ulté- rieure les zones pour l'isolement par oxyde de champ et les- dits motifs d'alignement ainsi délimités, sont soumis à une oxydation thermique, le reste de la surface active étant pro- tégé de l'oxydation par une partie restante de la couche de matériau anti-oxydation, caractérisé en ce qu'après le décapa- ge localisé de la couche de matériau anti-oxydation, et en se servant des parties restantes de la couche anti-oxydation com- me masque sélectif, on réalise à la surface du substrat des dénivellations de profondeur déterminée, au moins à des empla- cements qui contiennent les motifs d'alignement, emplacements appelés fenêtres d'alignement, en ce que la surface du subs- trat est ensuite mise à nu à l'intérieur desdites fenêtres, et en ce qu'on effectue enfin une étape d'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ au cours de laquelle les motifs d'alignements sont simultanément recouverts d'oxy- de. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites dénivellations sont réalisées par une étape spé- cifique d'oxydation thermique dans des conditions telles qu'elle conduit à une conversion en oxyde du semiconducteur sur une profondeur égale à ladite profondeur déterminée, et qu'après avoir mis à nu la surface du semiconducteur à l'inté- rieur desdites fenêtres d'alignement, on effectue l'étape d'o- xydation déjà mentionnée pour la réalisation de l'oxyde de champ, qui est complémentaire de l'étape spécifique d'oxyda- tion. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites dénivellations sont réalisées par décapage sélec- tif, uniquement dans les fenêtres d'alignement qui sont déli- -Y 1 e mitées au moyen d'un masque de résine photosensible, et en ce qu'on retire ensuite, dans lesdites fenêtres et avec le même masque, les parties restantes de couche anti-oxydation, après quoi on retire le masque de résine photosensible et on procède à une seule étape d'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ. 4 Procédé selon-la revendications 1, caractérisé en ce que lesdites dénivellations sont réalisées par décapage sé- lectif, en utilisant uniquement la couche anti-oxydation comme masque sélectif, en ce qu'on retire ensuite, uniquement dans les fenêtres d'alignement qui sont alors délimitées au moyen d'un masque de résine photosensible, les parties restantes de couche anti-oxydation, après quoi on retire le masque de rési- ne photosensible et on procède à une seule étape d'oxydation thermique pour la réalisation de l'oxyde de champ. 5 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, ca- ractérisé en ce que ladite profondeur déterminée des dénivel- lations est voisine du 1/4 de la longueur d'onde de la lumière mise en oeuvre pour l'exploitation des motifs d'alignement. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite profondeur des dénivellations est comprise entre et 150 nm et de préférence égale à 125 nm 10 nm.