Brevet FR2673763A1 — publié le 19920911

PROCEDE DE GRAVURE ANISOTROPE DES POLYMERES PAR PLASMA La présente invention concerne le domaine technique général de la lithographie, considérée comme la technique de réalisation des structures de type micronique ou submicronique, utilisées dans la microélectronique. La présente invention concerne, plus spécifiquement, un procédé de gravure anisotrope d'un substrat à base de polymères recouvert d'un masque définissant une image à transférer dans l'épaisseur du substrat. La plupart des structures à caractère micronique ou submicronique, telles que représentées aux fig. la à id, sont obtenues à L'aide de procédés de dépôts multicouches dans lesquels on dépose sur le substrat 1 une première couche de polymère aplanissante 2 dont la fonction consiste à gommer la topographie irrégulière du substrat 1. Ces procédés antérieurs connus comportent également, généraLement, une étape de superposition d'une couche à caractère inorganique 3 (SiO2, polysiloxane, aluminium, etc ...) et une couche de polymère photosensible 4. Cette dernière couche est ensuite soumise à une exposition, tel que cela est montré à la fig. lb, puis à un développement, de manière à initier la formation d'une image dans la couche de polymère photosensible 4. De manière classique, la surface de la structure est ensuite soumise à un plasma réactif Cfig 1c), qui réagit sélectivement avec Les zones exposées et complète l'initiation de la gravure dans la couche inorganique 3 qui joue alors Le rôle de masque pour la gravure de la couche 2. Les procédés multicouches peuvent être, de manière également connue, simplifiés en réduisant le nombre de couches déposées sur Le susbstrat 1. Il est ainsi connu d'avoir recours, par exemple, au simple dépôt de deux couches sur le substrat 1, la couche superficielle photosensible jouant également le rôle de masque pour le transfert d'images. Dans tous Les cas, l'ultime étape, telle que montrée à la fig. id, consiste à transférer L'image du masque dans L'épaisseur de la couche aplanissante 2 par une gravure anisotrope. Cette opération de gravure est, de manière connue, réalisée en soumettant le substrat et le masque à un plasma d'oxygène, lequel permet, à la fois, d'obtenir des vitesses de gravure importantes et de donner à la gravure une directivité importante et contrôlée suivant la normale à la surface du substrat. Les cinétiques de gravure importantes, observées dans Les plasmas, sont attribuées, d'une part, à un phénomène de dissociation du gaz réactif à l'origine de la production d'espèces atomiques réactives et, d'autre part, à l'ionisation du gaz qui produit Les ions positifs permettant le bombardement ionique, normal à la surface, du substrat porté à un potentiel négatif par rapport au potentiel plasma. L'opération de gravure proprement dite est induite par le plasma dont L'action de gravure peut être décomposée en une vitesse de gravure verticale Vv de direction normale à la surface en une vitesse de gravure latérale VL spontanée, dirigée vers Les flancs de gravure non soumis au bombardement ionique. La fig. 2 montre un profil de gravure d'un substrat 5 caractéristique, non anisotrope, dans lequel Les flancs de gravure 6 présentent un profil isotrope dû à une action de gravure latérale VL L'action de gravure verticale V est matérialisée par v la profondeur V du profil à partir du masque 7. v En pratique, pour obtenir un profil de gravure anisotrope iL est connu d'augmenter l'intensité du bombardement ionique par augmentation du flux des ions et/ou de leur énergie par rapport au flux d'espèces réactives atomiques responsables de L'érosion spontanée latérale des flancs de gravure par réactions purement chimiques. Il est ainsi possible d'arriver à annuler complètement la vitesse de gravure latérale, de manière à obtenir des profils de gravure parfaitement anisotropes afin. 4), comme dans le cas de la gravure du silicium en plasma de SF6. Il a, cependant, été constaté que La gravure de substrats de composition chimique plus complexe que le silicium et, en particulier, la gravure de polymères dont la stucture principale est constituée d'un squelette carboné sur lequel est essentiellement greffé de l'hydrogène, s'avère délicate et imparfaite à L'aide des procédés classiques utilisant un plasma d'oxygène. IL apparaît, en effet, très difficile d'obtenir une gravure parfaitement anisotrope à partir d'un polymère en le soumettant à un bombardement ionique à partir d'un plasma d'oxygène. Il a été constaté que, si l'on tentait, comme cela est classique dans l'art antérieur connu, d'obtenir une gravure anisotrope, c'est-à-dire un profil de gravure vertical, par accroissement de l'intensité d'un bombardement ionique, on obtenait, effectivement, un profil de gravure normal à la surface du substrat. La gravure anisotrope obtenue présentait, cependant, une particularité topographique désavantageuse, puisqu'il apparaissait, tel que cela est montré à la fig. 3, un décrochement 10 par rapport au masque de référence 11, ce décrochement 10 étant plus ou moins accentué suivant Les conditions plasma et la température du substrat 12. Ce décrochement, de L'ordre de quelques nanomètres, peut ne pas être considéré comme particulièrement gênant pour des structures microniques, mais il est considéré comme absolument inacceptable dans le cas de structures extrêmement fines, du type submicroniques. L'apparition de ce décrochement 10 est d'autant plus gênante qu'il s'accroît avec le temps de gravure, alors même que, compte tenu des topographies tourmentées résultant des technologies submicroniques, des temps de garde ou de gravure relativement longs sont nécessaires pour L'obtention d'une gravure complète et précise, si bien que Les décrochements obtenus peuvent être de dimensions relatives importantes. Il a déjà été tenté de réduire L'apparition de ce décrochement par action sur la température du substrat et maintien de ce dernier à des températures de L'ordre de - 20 à - 300 C, voire moins. Une telle diminution de température permet, effectivement, de réduire sensiblement le décrochement par gravure en plasma d'oxygène d'un polymère, mais ne supprime pas complètement son apparition. Il a, de même, été tenté de pulvériser le bord du masque 11 en augmentant L'énergie du bombardement ionique, afin de tenter de procéder, de cette manière, à une passivation des flancs de gravure. Une telle méthode présente, toutefois, outre le fait que le décrochement ne disparaît que partiellement, le risque et l'inconvénient de laisser, sur le substrat même, des résidus après L'opération d'enlèvement de la résine consécutive à la gravure. L'objet de la présente invention vise, en conséquence, à remédier aux divers inconvénients énumérés ci-dessus et à proposer un procédé de gravure anisotrope d'une couche à base de polymère permettant l'obtention d'un profil de gravure parfaitement anisotrope, tout en évitant L'apparition d'un décrochement entre le masque de référence et le flanc de gravure. Un autre objet de L'invention est de proposer un procédé de gravure anisotrope, de mise en oeuvre simple et sûre et dont La mise en oeuvre peut être effectuée dans une Large gamme de températures. Les objets assignés à L'invention sont atteints grâce à un procédé de gravure anisotrope d'une couche à base de polymère sur un substrat, recouverte d'un masque définissant une image à transférer dans l'épaisseur de l'ensemble couche-substrat, selon lequel on soumet l'ensemble ainsi constitué à L'action de gravure d'un plasma incluant de L'oxygène, caractérisé en ce qu'il consiste à provoquer la passivation des flancs de gravure de la couche à L'aide d'un agent passivant soufré associé, dans le plasma, avec L'oxygène. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. Les figez la à ld montrent, à titre purement indicatif, Les étapes classiques de gravure anisotrope d'une couche sur un substrat. La fig 2 montre le profil caractéristique d'une gravure non anisotrope. La fig. 3 montre le profil caractéristique d'une gravure anisotrope présentant un décrochement. La fig. 4 montre le profil d'une gravure anisotrope obtenue à L'aide du procédé conforme à L'invention. Le procédé de développement anisotrope des polymères objet de L'invention consiste à provoquer, en soumettant la couche à base de polymères, le substrat et le masque à L'action de gravure d'un plasma à base d'oxygène, la passivation des flancs de gravure par coadsorption, avec L'oxygène atomique, d'un élément chimique capable de bloquer la cinétique de gravure spontanée latérale du polymère par L'oxygène. IL doit être entendu que cette passivation ne doit entraîner, de préférence, ni résidu de gravure, ni érosion ou altération du polymère ou de la sous-couche, afin que le procédé de gravure soit acceptable du point de vue technologique et industriel. En particulier, L'éLément chimique choisi doit être compatible, par exemple avec le silicium ou L'oxyde de silicium contenu dans la couche inorganique du substrat, tout en restant inerte vis-à-vis du polymère et, en particulier, du carbone, constituant fondamental du squelette du polymère. La solution choisie, objet de L'invention, consiste à utiliser le soufre comme agent passivant de la gravure du polymère, en combinaison ou en association avec L'oxygène du plasma. Il s'avère, en effet, que le soufre convient particuLièrement bien en tant qu'agent passivant de la gravure latérale, car, à température ambiante et pour Les pressions classiques utilisées dans le plasma de gravure, il n'attaque pas spontanément le carbone du poLymère. Cette inertie chimique a été confirmée par L'étude thermodynamique du système carbone-soufre, puisqu'il faut dépasser des températures de L'ordre de 4000 K (1270 C) pour constater la formation de quantités significatives de CS2, par réaction entre le carbone et le soufre. En plus de sa relative inertie chimique vis-à-vis du carbone, le soufre ne pose pas de problème rédhibitoire pour la gravure des semi-conducteurs. En effet, le soufre est déjà utilisé en gravure plasma du silicium et de L'oxyde de silicium, sous la forme de SF6. De plus, il a déjà été constaté que le soufre, combiné avec L'hydrogène, le fluor, L'oxygène ou le chlore notamment, ne subsistait, en réalité, que très peu de temps sur Les surfaces du substrat après gravure. Le principe du procédé objet de L'invention consiste, en conséquence à provoquer, en plasma d'oxygène, la coadsorption sur le polymère de soufre et d'oxygène. Les proportions de soufre introduites dans le plasma, en combinaison avec L'oxygène, sont déterminées, expérimentalement, de manière classique et doivent être suffisantes, de manière à bloquer Les cinétiques des réactions spontanées chimiques responsables de la gravure latérale des flancs de gravure non soumis au bombardement ionique, tout en étant insuffisante pour bloquer Les cinétiques des réactions induites par Le bombardement ionique responsable de la gravure verticale. Il est alors possible d'obtenir des conditions de gravure plasma parfaitement anisotropes. Un premier mode d'utilisation du soufre, en association dans le plasma avec L'oxygène, consiste à utiliser le soufre sous forme solide dans Les conditions de pression du plasma permettant, au moins partiellement, sa vaporisation en tenant compte de la pression de vapeur du soufre solide égale à 10 5 Torr à 2910 K telles conditions de pression de vapeur Limitent cette utilisation. Un second mode d'utilisation du soufre consiste à L'introduire, en tant qu'agent passivant soufré, sous forme d'un mélange d'oxygène et d'agent passivant soufré. Dans ce cas, L'agent passivant soufré peut être choisi parmi de très nombreux gaz, tels que H2S, SF6, SF4, S#F2, CS2, etc. On obtient, pour tous ces mélanges gazeux d'agents passivants soufrés et d'oxygène, des profils de gravure anisotropiques, tels que celui montré à la fig. 4, sans L'apparition de décrochements. Il convient, en revanche, de remarquer que le recours à de tels mélanges gazeux doit être limité à certaines applications spécifiques, dans la mesure où Les formes gazeuses soufrées utilisées contiennent un élément chimique supplémentaire qui peut, dans certains cas, nuire au procédé de gravure. Ainsi, le fluor, contenu dans un mélange de type Su /02, peut, dans certaines conditions, attaquer le masque 11 de composition type SiO protecteur de la résine ou, encore, La sous-couche en fin de gravure plasma. Pour éviter d'introduire un élément chimique supplémentaire dans le plasma d'oxygène, l'utilisation préférentielle de L'agent passivant soufré consiste à introduire, dans le plasma d'oxygène, L'agent passivant soufré sous la forme d'un composé gazeux combinant L'oxygène et le soufre. De très nombreux composés existent sous forme solide, liquide ou gazeuse, dans Les conditions normales de température et de pression et sont utilisables, à ce titre, tout en tenant compte de leurs pressions de vapeurs spécifiques. Suivant leur stoechiométrie, ils peuvent, en conséquence, être utilisés seuls ou en mélange avec L'oxygène. Ainsi, Les composés gazeux, combinant L'oxygène et le soufre, peuvent être choisis parmi le mono-oxyde de soufre S0 ou S202, le dioxyde de soufre S02, le tri oxyde de soufre S03, L'hémioxyde de soufre S20, le sesquioxyde de soufre S203, voire Les peroxydes de soufre S207 et 504. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, il est possible de définir des conditions d'intéraction entre le plasma et la surface du substrat pour lesquelles le profil de gravure du polymère obtenu, dans un plasma contenant au moins 30 % de S02, complémenté par de L'oxygène, est parfaitement anisotrope. La proportion de S02 dans le mélange peut varier de 30 à 100 %, mais toute augmentation relative de la part du soufre dans le mélange nécessite d'augmenter L'énergie du bombardement ionique pour conserver une vitesse de gravure importante. Le mélange est composé, avantageusement, de SO, et de O, en proportion sensiblement équivalente (50 % SO2, 50 % 02) et, de préférence, de 60 % de SO, et de 40 % de 02. Il est également possible d'obtenir un profil de gravure parfaitement anisotrope, à partir d'un plasma contenant uniquement de l'anhydride sulfureux S02 à L'état pur. Toutefois, dans un tel cas, on observe que la vitesse de gravure verticale est réduite d'environ 15 % par rapport à un plasma comprenant un mélange SO2 + O Le recours à des composés oxygénés du soufre, comme par exemple SO3, qui présentent un pourcentage en oxygène supérieur à lianhydride sulfureux 502 et qui, en outre, présentent une stabilité moindre, s'avère particulièrement utile.En effet, dans un tel cas, la concentration, dans le plasma, d'oxygène dissocié sous forme atomique et de soufre résultant de la même dissociation de ses molécules, est supérieure à celle d'un mélange à base de SO, et de 02. IL et ésulte, en conséquence, une vitesse de gravure anisotrope verticale accrue pour des conditions d'intéraction entre le plasma et le polymère comparables, puisque L'énergie et le flux d'ions sont équivalents. On utilisera, de préférence, Les composés oxygénés du soufre Les plus courants qui sont S202, SO2 et SO3, lesquels, suivant la température et le conditionnement, se présentent sous forme gazeuse liquide et/ou solide. Dans tous Les cas, il est possible d'obtenir une pression de vapeurs non nulle et, préférablement, pour des températures proches de la température de travail voisine de la température ambiante. Dans tous Les cas, il est, bien évidemment, possible d'introduire dans Les mélanges réactifs précédemment définis, des gaz vecteurs neutres, tels que des gaz rares (hélium, krypton, argon, par exemple) qui sont inertes et non réactifs vis-à-vis de L'opération de gravure et qui, en conséquence, ne sont pas pris en compte pour le calcul des proportions relatives du mélange. Quelle que soit la composition du plasma associant de L'oxygène et du soufre, le procédé de gravure peut être conduit dans une large gamme de température allant de - 1500 C à + 2000 C et, préférentiellement, par exemple entre - 500 C et + 1500 C. Avantageusement, le procédé est conduit à température ambiante. EXEMPLE 1 : Une gravure anisotrope d'une résine de type NOVOLAQUE a été obtenue sans L'apparition de décrochement à L'aide des conditions opératoires suivantes. - mélange de oxygène pur ........................... 40 % anhydride sulfureux SO2, ................ 60 % - pression de 502 0,6-mTorr (0,08 Pa) - pression de 02 ........ ........ 0,4 mTorr (0,05 Pa) - pression totale 1,0 mTorr (0,13 Pa) - énergie des ions (électronvolts) ....... 120 eV - puissance micro-ondes ..................., 800 Watts - flux d'ions sur le substrat ............. 2 mA/cm2 La vitesse de gravure obtenue est de L'ordre de 200 nanomètres par minute. EXEMPLE 2 Pour Les mêmes conditions opératoires que celles de l'exemple 1, on obtient un profil de gravure anisotrope d'une résine de type NOVOLAQUE dans un plasma micro-ondes à base d'anhydride sulfureux 502 pur, c'est-à-dire sans mélange avec de L'oxygène. On obtient un profil de gravure parfaitement anisotrope sans décrochement, mais on constate que la vitesse de gravure diminue et est de L'ordre de 170 nanomètres/mn. EXEMPLE 3 : Pour Les mêmes conditions opératoires que celles définies aux exempLes 1 et 2, on procède à un bombardement ionique à partir d'un plasma d'oxygène pur à une pression de 1 mTorr (0,13 Pa). La vitesse de gravure obtenue est de L'ordre de 230 nanomètres/mn, mais le profil n'est alors pas anisotrope et on constate L'apparition de décrochements caractéristiques, tel que représenté à la fig. 3. Il apparaît, en conséquence, que le procédé de gravure mettant en oeuvre un agent passivant soufré dans un plasma d'oxygène permet d'obtenir, dans Les conditions normales de température, de flux d'ions et d'énergie d'ions, un profil de gravure parfaitement anisotrope d'un polymère. Un tel procédé ne présente pas, par ailleurs, d'inconvénients particuliers Liés à l'utilisation du soufre et le procédé s'avère d'une mise en oeuvre particulièrement simple et sûre. Le procédé peut, en outre, être mis en oeuvre avec des températures du substrat pouvant varier entre des plages de L'ordre de - 500 à + 1500 C, sans que l'on constate L'apparition de phénomènes néfastes. Le procédé décrit est particulièrement destiné à être utilisé pour le développement anisotrope des résines utiLisées en lithographie (microélectronique) et pour le développement à basse énergie de résines photosensibles sur des sous-couches, tels que Les semi-conducteurs III-V. Le procédé mis au point peut, en outre, être appliqué à tous Les procédés lithographiques submicroniques pour le développement anisotrope des résines, en vue de respecter parfaitement la totalité des cotes de gravure. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1 - Procédé de gravure anisotrope d'une couche à base de polymère sur un substrat, recouverte d'un masque définissant une image à transférer dans L'épaisseur de l'ensemble couche-substrat, selon lequel on soumet l'ensemble ainsi constitué à L'action de gravure d'un plasma incluant de L'oxygène, caractérisé en ce qu'il contriste à provoquer la passivation des flancs de gravure de la couche à L'aide d'un agent passivant soufré associé, dans le plasma, avec L'oxygène. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire, dans le plasma, L'agent passivant soufré sous forme gazeuse. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire L'agent passivant soufré sous La forme d'un composé gazeux combinant L'oxygène et Le soufre. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le composé gazeux est choisi parmi SO, S02, S03, S202, SZO, S203, S04, S207. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser le composé gazeux dans le plasma, en mélange avec de L'oxygène à L'état de composé pur ou additionné d'un gaz vecteur neutre non réactif. 6 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser, en mélange dans le plasma, un mélange comprenant au moins 30 % de S02 avec de L'oxygène (02) et comprenant, de préférence, 60 % de S02 et 40 % de 02. 7 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser, en combinaison dans le plasma avec de L'oxygène (02), des composés gazeux soufrés à base de fluor ou de carbone. 8 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que Les composés gazeux soufrés à base de fluor ou de carbone sont choisis parmi : HZS, SF6, 5F4, S2F2, CS2. 9 - Procédé selon L'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à opérer à des températures comprises entre - 1500 C et + 2000 C et, préférentiellement, entre 500 C et + 1500 C et, avantageusement, à température ambiante.