Brevet FR2749973A1 — publié le 19971219

Procédé de gravure de la grille en technologie MOS utilisant un masque dur à base de SiON. L'invention concerne la gravure du matériau de grille dans la fabrication de transistors à effet de champ. Dans la fabrication des transistors MOS, on utilise généralement du polysilicium ou un alliage de silicium et de germanium comme matériau de grille. Ce matériau est déposé sur une couche mince d'oxyde thennique, encore appelé oxyde de grille, puis gravé aux dimensions de la grille. La gravure, par quelque moyen que ce soit, peut s'effectuer en utilisant un masque dur définissant la zone destinée à former ultérieurement la grille et protégeant ladite zone pendant l'opération. On utilise alors habituellement pour le masque dur un matériau inorganique, tel que le dioxyde de silicium ou le nitrure de silicium. L'absence de carbone dans le matériau constituant le masque, responsable de la destruction de la couche d'oxyde de grille lors de la gravure de la grille, permet d'augmenter de manière significative la sélectivité de la gravure du matériau de grille en silicium polycristallin ou en un alliage silicium-germanium par rapport à l'oxyde de grille. Néanmoins, l'utilisation de ces masques classiques présente des inconvénients qui nuisent à la qualité des transistors fabriqués. I1 est connu d'isoler les futures zones actives d'un dispositif semiconducteur de façon conventionnelle (LOCOS) ou par tranchées peu profondes (Shallow Trench Isolation : STI) avec du dioxyde de silicium. Lorsque le masque dur de la gravure de la grille est en dioxyde de silicium, son retrait engendre un risque d'évidement des tranchées ou de destruction de la zone d'isolement puisqu'il est de même nature que l'oxyde d'isolement. Par ailleurs, l'utilisation d'un masque dur à base de nitrure de silicium présente des risques de destruction du matériau de grille lors du retrait du masque. En effet, le procédé de gravure du nitrure de silicium est très voisin de celui du silicium, ce qui induit une faible sélectivité de gravure entre ces 2 matériaux et une détection de fin d'attaque du masque dur s'effectuant sur la grille ne saurait suffire à éviter une destruction, partielle, de la grille sous-jacente au masque dur. I1 apparaît donc nécessaire de mettre au point un procédé de gravure du matériau de grille qui ne présente pas les inconvénients énumérés ci-dessus. Les inventeurs ont mis en évidence que l'utilisation d'une couche mince et poreuse à base d'oxyde de silicium nitruré SiON, comme masque dur pour la gravure du matériau de grille, permet de surmonter les inconvénients observés avec les masques de l'art antérieur. Le matériau SiON possède toutes les propriétés requises d'un masque dur. Son retrait est en outre simplifié sans aucune destruction ni de l'oxyde thermique, ni du matériau de grille. Dans le domaine de la microélectronique, l'oxyde de silicium nitruré est généralement utilisé comme matériau de couches antiréflectives. Ce matériau limite notamment la réflectivité de couches sous-jacentes à base de tungstène ou d'aluminium lors de la photolithographie de ces couches, ainsi que les effets de réflexion parasites sur les couches sous-jacentes lors de l'insolation de la couche organique photosensible. L'invention propose un procédé de gravure du matériau de grille dans la fabrication de transistors à effet de champ, comprenant au moins les étapes suivantes a) on dépose une couche mince et poreuse d'un alliage à base de SiON sur un substrat semi-conducteur recouvert d'une première couche d'oxyde thermique et d'une deuxième couche en silicium polycristallin ou en un alliage silicium-germanium; b) à l'aide d'un masque en résine réalisé sur la couche à base de SiON, on grave ladite couche pour former un masque dur; c) après retrait de la résine masquante, on grave la zone prédéterminée par le masque dur dans la couche en silicium polycristallin ou en un alliage silicium-germanium pour former la future grille; et d) on retire le masque dur à base de SiON. Selon l'invention, dans l'étape a), on entend par couche mince une couche dont l'épaisseur est comprise entre 500 et 2000 Â, typiquement 1500 . La composition de l'alliage constituant cette couche est préférentiellement SiXOyNz dans laquelle x est compris entre 35 et 45% et z compris entre 40 et 60%, y formant le complément jusqu'à 100%. Ces pourcentages sont des pourcentages atomiques. Selon une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, la couche d'alliage à base de SiON peut être déposée sur le matériau de grille chimiquement en phase vapeur assisté par plasma à faible température, plus particulièrement de l'ordre de 300"C. Selon une mise en oeuvre du procédé de l'invention, la gravure du masque dur à base de SiON dans l'étape b) est avantageusement assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche sous-jacente à base de silicium polycristallin ou d'un alliage siliciumgermanium agissant alors en tant que couche d'arrêt de l'opération. Selon le procédé de l'invention, dans l'étape c), la gravure de la grille dans la couche à base de silicium polycristallin ou d'un alliage silicium-germanium, peut également être avantageusement assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche d'oxyde thermique agissant en tant que couche d'arrêt de l'opération. Dans l'étape d), le masque dur à base de SiON peut être retiré par voie chimique, tel que notamment par gravure liquide, ou gravure par plasma. Cette opération peut avantageusement être assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la future grille agissant alors en tant que couche d'arrêt de l'opération. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, dans l'étape d), le retrait du masque dur à base de SiON est précédé d'une étape de formation d'espaceurs latéraux à base de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium disposés de chaque côté de la future grille. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée des modes de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels les figures la à le et lé illustrent la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Tel qu'illustré à la figure la, sur un substrat semi-conducteur 1 recouvert successivement d'une couche d'oxyde thermique 2 et d'une couche d'un matériau de grille, on dépose une couche mince et poreuse 4 d'un alliage à base de SiON. La couche d'oxyde thermique 2 est généralement constituée de dioxyde de silicium et a typiquement une épaisseur comprise entre 30 et 250 . Le matériau de grille est à base de de silicium polycristallin ou d'un alliage de silicium-germanium et présente une épaisseur comprise entre 1000 et 4000 , typiquement 2000 . Selon une mise en oeuvre préférentielle de l'invention, la couche à base de SiON est déposée chimiquement en phase vapeur assistée par plasma (PECVD) à faible température. On emploiera typiquement des températures de l'ordre de 300"C. Ce type de dépôt présente l'avantage par rapport au dépôt par four à haute température, de n'utiliser qu'un faible bilan thermique. Lors des dépôts à haute température par four, on observe une diffusion des dopants lorsqu'on dépose sur des matériaux déjà dopés. Avec le dépôt PECVD à faible température selon l'invention, on réduit, voire supprime, la diffusion des dopants à l'intérieur des matériaux. Les autres conditions de mise en oeuvre du procédé de dépôt PECVD sont usuelles pour le domaine de la microélectronique. On opère préférentiellement sous gaz inerte, par exemple azote, argon ou hélium, de façon usuelle. Le mélange gazeux actif contient des précurseurs des éléments constitutifs de l'alliage à base de SiON. La composition de l'alliage est SiXOyNz, dans laquelle x est compris entre 35 et 45%, z est compris entre 40 et 60% et y forme le complément jusqu'à 100%. Ces pourcentages sont des pourcentages atomiques. En variant le mélange gazeux lors du dépôt, on peut modifier la composition de la couche à base de SiON. En agissant sur la proportion d'azote compris dans l'alliage et sur les conditions de température lors du dépôt, on peut faire varier la sélectivité, notamment lors du retrait du masque, par rapport au dioxyde de silicium en utilisant un fort pourcentage atomique d'azote ou par rapport au nitrure de silicium en diminuant la proportion d'azote. 11 est ainsi possible, en agissant sur le mélange gazeux, d'optimiser la sélectivité de la gravure du masque par rapport aux autres matériaux présents et découverts. On dépose ainsi une couche mince et poreuse à base de SiON, d'épaisseur comprise entre 500 et 2000 Â, typiquement 1500 , référencée 4 sur la figure la, sur la couche 3 de matériau de grille. Tel qu'illustré à la figure lb, une résine masquante photosensible a été déposée sur la couche mince et poreuse 4 à base de SiON, et gravée, par exemple par photolithogravure à l'aide d'un masque reproduisant la zone destinée à former ultérieurement la grille. A l'aide de ce masque en résine 5, on grave la couche mince et poreuse 4 à base de SiON par gravure anisotrope sèche pour former le masque dur également référencé 4. Cette étape de gravure du masque dur est avantageusement assistée par une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche 3 en silicium polycristallin ou en un alliage silicium-germanium, agissant alors en tant que couche d'arrêt. La gravure et la détection de fin d'attaque s'effectuent dans des conditions usuelles pour le domaine de la microélectronique. Après gravure du masque dur 4, on retire, de façon usuelle, la résine masquante. On obtient le dispositif illustré à la figure lc, sur laquelle le substrat semi-conducteur 1 est recouvert d'une première couche 2 d'oxyde thermique et d'une deuxième couche 3 à base de silicium polycristallin ou d'un alliage en silicium-germanium. Cette dernière couche est surmontée d'un masque dur 4 à base d'un alliage SiON prédéterminant la zone destinée à former la grille. Tel qu'illustré à la figure ld, la couche 3 est gravée de manière conventionnelle par gravure anisotrope sèche en utilisant le masque dur 4 à base de SiON, pour former la future grille du transistor MOS. La gravure du matériau de grille peut avantageusement être assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche 2 d'oxyde thermique agissant alors en tant que couche d'arrêt de l'opération de gravure. Le procédé de l'invention présente un avantage supplémentaire dans cette étape de gravure de la grille, dans la mesure où le matériau SiON utilisé comme masque dur possède des propriétés antiréflectives limitant la réflection sur la couche sous-jacente lorsque celle-ci est gravée par photolithogravure. Dans une dernière étape, le masque dur 4 à base de SiON est retiré de manière simplifiée. Ce retrait s'effectue préférentiellement par voie chimique, notamment par gravure isotrope liquide, ou par plasma. ll s'avère en effet que le retrait par voie chimique ne détruit pas la couche d'oxyde thermique 2 apparente puisque la vitesse de gravure du matériau à base de SiON peut atteindre cent cinquante fois celle du dioxyde de silicium et sept fois celle du nitrure de silicium en gravure liquide et quarante fois celle du dioxyde de silicium en gravure plasma. En outre, la sélectivité de cette opération de retrait est infinie par rapport au silicium polycristallin et à l'alliage silicium-germanium constituant le matériau de grille. Cette différence infinie entre les vitesses d'attaque du matériau à base de SiON et du matériau de grille, permet avantageusement d'assister l'étape de retrait du masque dur 4 d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche 3 formant la grille et agissant alors en tant que couche d'arrêt de la gravure. Les conditions de gravure et de détection de fin d'attaque sont usuelles dans le domaine de la microélectronique. L'importante sélectivité lors du retrait du masque de l'attaque du matériau à base de SiON par rapport aux matériaux qui l'entourent, peut également avantageusement être utilisée lors du retrait du masque dur après formation d'espaceurs latéraux à base de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium. Ainsi, selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de retrait du masque dur à base de SiON est précédée d'une étape de formation d'espaceurs latéraux 6 à base de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium disposés de chaque côté de la future grille 3. I1 est ainsi possible d'obtenir, après retrait du masque dur, des espaceurs 6 dont la hauteur est supérieure, d'environ la valeur de l'épaisseur de la couche de SiON, à la hauteur de grille. Ce type d'espaceurs est intéressant, notamment pour limiter les phénomènes de courts-circuits observés entre la grille et la zone active lors de la siliciuration sélective du silicium. Ainsi, selon le mode de réalisation de l'invention mis en oeuvre, on obtient les dispositifs illustrés aux figures le et le'. Sur la figure le, le substrat semi-conducteur 1 est recouvert sur toute sa surface d'un oxyde thermique 2 sur lequel la couche 3 à base de silicium polycristallin ou d'un alliage silicium-germanium forme la future grille d'un transistor MOS. Sur la figure le', le substrat semi-conducteur 1 est recouvert sur toute sa surface d'un oxyde thermique 2, sur lequel des espaceurs 6 en dioxyde de silicium ou nitrure de silicium sont disposés de part et d'autre de la future grille 3 à base de silicium polycristallin ou d'un alliage silicium-germanium. Ces espaceurs présentent une hauteur supérieure d'environ l'épaisseur du masque dur à base de SiON, par rapport à la hauteur de grille. Le dispositif semi-conducteur ainsi obtenu peut subir les traitements ultérieurs habituels nécessaires à la fabrication d'un transistor MOS. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure du matériau de grille dans la fabrication de transistors MOS, comprenant au moins les étapes suivantes a) on dépose une couche mince et poreuse d'un alliage à base de SiON (4) sur un substrat semi-conducteur (1) déjà recouvert d'une première couche (2) d'oxyde thermique et d'une deuxième couche (3) en silicium polycristallin ou en un alliage silicium-germanium; b) à l'aide d'un masque en résine (5) réalisé sur la couche (4) à base de SiON, on grave ladite couche (4) pour former un masque dur; c) après retrait de la résine masquante (5), on grave la zone prédéterminée par le masque dur (4) dans la couche (3) à base de silicium polycristallin ou d'un alliage silicium-germanium pour former la future grille; et d) on retire le masque dur (4) à base d'un alliage SiON. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans l'étape a), la couche mince et poreuse (4) d'un alliage à base de SiON a une épaisseur comprise entre 500 et 2000 A, typiquement 1500 . 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la composition de l'alliage est Si N avec x compris entre 35 et 45% atomique, z compris entre 40 et 60% atomique, y complétant jusqu'à 100% atomique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche mince et poreuse (4) à base de SiON est déposée chimiquement en phase vapeur assistée par plasma à faible température. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que dans l'étape b), la gravure du masque dur est assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche (3) à base de silicium polycristallin ou d'un alliage silicium-germanium, agissant alors en tant que couche d'arrêt. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que dans l'étape c), la gravure de la grille dans la couche (3) est assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche d'oxyde thermique (2) agissant en tant que couche d'arrêt. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le masque dur (4) à base de SiON est retiré par gravure isotropique liquide dans l'étape d). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le masque dur (4) à base de SiON est retiré par gravure par plasma dans l'étape d). 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la gravure est assistée d'une détection de fin d'attaque s'effectuant sur la couche (3) à base de silicium polycristallin ou d'un alliage siliciumgermanium, agissant en tant que couche d'arrêt. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que dans l'étape d), le retrait du masque dur (4) à base de SiON est précédé d'une étape de formation d'espaceurs latéraux (6) à base de dioxyde de silicium ou de nitrure de silicium disposés de chaque côté de la future grille (3).