Brevet FR2791472A1 — publié le 20000929

l PROCÉDE DE CRÉATION DE LIGNES DE CONNEXION ET DE POINTS DE CONTACT SOUS-JACENTS DANS UN SUBSTRAT DIELECTRIQUE DESCRIPTION Le domaine de cette invention est les circuits intégrés, et plus précisément la création de lignes de connexion et de points de contact ou de traversée (" contact holes " ou " via holes " en anglais) s'étendant sous ces lignes dans un substrat isolant jusqu'à un étage inférieur du circuit. Cette technique de création de lignes de connexion et de points de contact en y déposant une matière conductrice après avoir creusé le substrat du circuit aux emplacements correspondants est souvent appelée double damascène, en faisant allusion à la fois au procédé ancien de création d'un motif en incrustant un métal dans des empreintes d'un autre matériau, et à la réalisation du procédé à deux profondeurs du substrat. L'avantage de ce procédé dans les industries des semi- conducteurs est qu'il n'impose pas de graver la matière conductrice, ce qui serait une opération délicate comme le cuivre qu'on voudrait employer plus souvent à la place de l'aluminium aujourd'hui plus répandu. Il est usuel de creuser les empreintes destinées à recevoir la matière conductrice en déposant des masques sur le substrat, en faisant subir une photolithographie à des couches de résine déposées ensuite sur les masques pour les détruire localement en exposant les masques, puis en éliminant ces masques par une gravure aux endroits exposés pour y exposer le substrat et en réalisant ensuite une gravure des endroits exposés du substrat; les masques protègent le substrat aux endroits o ils subsistent. L'invention a pour origine le désir d'employer des substrats en matière à basse permittivité, et la constatation que ces matières étaient facilement dégradées par les solvants et le plasma d'oxygène utilisés pour ôter les couches de résine après l'attaque des masques. Dans les procédés ordinaires de double damascène, quand la première étape de gravure du substrat (pour créer soit les points ou les lignes) a été achevée, de la résine est versée dans les parties gravées afin de procéder à la gravure du second masque et doit ensuite être enlevée, ce qui expose inévitablement la matière du substrat à la dégradation. Le brevet américain 5 821 169 décrit un procédé o un masque unique est gravé plusieurs fois à des profondeurs différentes; une couche de résine qui le couvre est ôtée aux emplacements des points, et le masque est gravé sur une partie de sa profondeur; puis la couche de résine est ôtée aux emplacements des lignes, et le masque est gravé de nouveau jusqu'à une profondeur partielle aux emplacements des lignes, et totalement aux emplacements des points de façon à exposer le substrat. On peut alors procéder à la gravure des points, avant de graver totalement le masque aux emplacements des lignes et de graver les lignes dans le substrat. La gravure du masque à une profondeur partielle, qui est faite à deux reprises, impose des précautions de mise en oeuvre. Il n'est pas possible de garantir l'alignement ou le centrage des emplacements des lignes et des emplacements des points. Enfin, la deuxième étape de gravure du masque, nécessaire pour exposer le substrat aux emplacements des lignes, est une gravure anisotrope, sur toute la surface du masque, dont la résine qui le couvrait a été enlevée avant de graver les points dans le substrat: une telle gravure s'exerce aussi latéralement et élargit les emplacements des lignes, dont il devient impossible de connaître la largeur exacte; les risques de court-circuit dans le circuit intégré seront accrus quand il sera achevé. Les inventeurs ont donc conclu qu'il fallait maintenir la résine séparée de la matière du substrat, et ont trouvé un ordre particulier des étapes nécessaires pour réaliser la structure du circuit intégré qui satisfaisait à cette exigence; ce procédé est le sujet de l'invention. Il est caractérisé en ce que, successivement: un masque inférieur est déposé sur le substrat; un masque supérieur est déposé sur le masque inférieur; le masque supérieur est attaqué aux emplacements des lignes; le masque inférieur est attaqué aux emplacements des points; des trous sont gravés dans le substrat aux emplacements des points; le masque inférieur est attaqué aux emplacements des lignes; des tranchées sont gravées dans le substrat aux emplacements des lignes; et du matériau conducteur est déposé dans les trous et les tranchées pour donner respectivement les points de contact et les lignes de connexion. Le dépôt précoce et consécutif des deux masques l'un sur l'autre permet de placer puis d'éliminer les couches de résine avant de graver le substrat, ce qui le protège de toute altération. On conseille particulièrement que les masques aient des compositions différentes de façon qu'un seul d'entre eux soit attaqué à la fois. On garantit ainsi une bonne exécution du procédé, et aussi ce qu'on appelle un auto-alignement des lignes et des points, c'est-à-dire que des décalages latéraux entre les positions des lignes et des points soient évités même si les trous et les tranchées ne sont pas exactement creusés aux endroits voulus. Ce résultat d'auto- alignement évite les risques de mauvais fonctionnement du circuit ou même de courts-circuits et contribue beaucoup à la possibilité d'accroître la densité d'intégration de ces éléments qu'on cherche sans cesse à miniaturiser. Une réalisation non limitative de l'invention, qui permettra de reconnaître ses caractéristiques et avantages, sera décrite en se référant aux figures suivantes: * la figure 1 représente une portion de circuit obtenue par l'invention, o la matière conductrice des lignes et des points est esquissée par ses contours mais supposée transparente pour la commodité de la représentation; * les figures 2, 3, 4, 5A, 6, 7A, 8, 9A et 10 illustrent les étapes de création du circuit selon un mode de réalisation de l'invention; * les figures 5B, 7B et 9B illustrent une variante du procédé; * et les figures 2A, 6A, 8A et 10A illustrent un mode de réalisation plus complexe. Un circuit intégré représenté à la figure 1 comprend un substrat 1 diélectrique ou semi-conducteur dans un étage 2 duquel ont été réalisées des lignes de connexion 3 parallèles entre elles et, sous elles, des points de contact 4 qui les relient à des régions 5 ponctuelles ou linéaires, sources, drains, points de mémoire ou autres, établies dans un étage inférieur 6 du substrat 1. Les niveaux des lignes 3 et des points 4 dans l'étage 2 sont séparés par une couche intermédiaire 7 diélectrique en oxyde de silicium; la sous- couche inférieure de l'étage 2, sous la couche intermédiaire 7, peut avoir 0,9 pm d'épaisseur, et la sous-couche supérieure 0,5 Dm. D'autres valeurs sont évidemment possibles, et l'épaisseur totale de l'étage 2 peut être comprise entre 0,5 pm et 2 pm environ. Le procédé proposé ici a pour objet la réalisation de l'étage 2 du substrat 1 à partir d'une couche lisse, conformément aux figures suivantes. La figure 2 montre que les premières étapes consistent à déposer successivement sur l'étage 2 de substrat, par des dépôts chimiques par exemple en phase vapeur (CVD), par pulvérisation cathodique, un masque inférieur 8 qui peut être en oxyde de silicium, et un masque supérieur 9 qui servira de masque à la gravure des lignes d'interconnexion et qui peut être en nitrure, carbure ou oxyde de silicium sur le masque inférieur 8; puis une première couche de résine 10 est déposée sur le masque supérieur 9, sauf aux endroits 11 situés aux emplacements des lignes de connexion 3 (figure 3). Une attaque chimique subséquente enlève le masque supérieur 9 à ces endroits 11 tout en épargnant le masque inférieur 8, puis la première couche de résine 10 est enlevée, et on arrive à l'état de la figure 4. Une deuxième couche de résine 12 est déposée sur le masque supérieur 9 et la partie du masque inférieur 8 qui a été exposée, sauf aux emplacements 13 des points de contact 4. L'état résultant est illustré sur la figure 5A pour un alignement ou un centrage parfait des emplacements 11 et 13; on ne peut toutefois exclure des mésalignements qui auront pour effet, s'ils sont suffisamment importants, de déporter les emplacements libres de résine à cheval sur les masques 8 et 9: cette situation est représentée à la figure 5B o les emplacements portent la référence 13'; on reviendra sur les consequences d'une telle situation. L'étape suivante du procédé consiste à attaquer le masque inférieur 8 aux emplacements libres 13 jusqu'à mettre à nu le substrat 1: on arrive à l'état de la figure 6; on suppose que la seconde couche de résine 12 a été ôtée, ce qui peut cependant souvent être fait plus tard; elle peut aussi être consommée pendant la gravure des étages 2 ou 6. Ensuite, on entreprend d'exécuter la gravure du substrat 1 à l'emplacement des points de contact 4 pour y creuser des trous 14 jusqu'aux trois quarts de la profondeur de l'étage 2 environ, en ajoutant une attaque particulière pour permettre de traverser la couche intermédiaire 7, si elle existe. Si le substrat 1 est en certaines matières organiques, il peut être creusé par une photolithographie qui détruit aussi la résine, ce qui explique que la seconde couche 12 puisse n'être éliminée qu'alors: on arrive de toute façon à l'état de la figure 7A (ou 7B). Les dernières étapes du procédé consistent à attaquer sélectivement le masque inférieur 8 mais pas le masque supérieur 9, afin d'exposer le substrat 1 sur toute la superficie des lignes de connexion 3 (figure 8), puis à reprendre la gravure du substrat 1 de manière à créer des tranchées 15 aux emplacements des lignes de connexion 3 tout en complétant la gravure des trous 14; cette gravure est poursuivie jusqu'à ce que la profondeur de creusement voulue soit atteinte, et notamment jusqu'à ce que les tranchées 15 atteignent la couche intermédiaire 7, qui résiste cependant à la gravure (figure 9A); enfin, un matériau conducteur est déposé dans les trous 14 et les tranchées 15 pour produire les lignes de connexion 3 et les points de contact 4, et le masque supérieur 9 est entièrement ôté à la fin d'un polissage chimico-mécanique usuel dans cette technique et qui aplanit la surface supérieure du circuit intégré. L'état final est illustré à la figure , et un autre étage du circuit intégré peut être déposé sur le masque inférieur 8 et les lignes de connexion 3. Partant de la situation de la figure 5B, les mêmes opérations auront pour effet de n'attaquer le masque inférieur 8 que sur une partie de la superficie des emplacements 13', le masque supérieur 9 restant intact, et les trous 14' creusés seront aussi de section plus petite, comme l'illustrent les figures 7B et 9B qui correspondent aux figures 7A et 9A précédentes. Les trous 14' auront une superficie plus petite que ceux 14 rencontrés précédemment, mais ne déborderont pas latéralement des tranchées 15 et ne les élargiront pas, ce qui protège des courts-circuits avec les lignes voisines. Ce risque de débordement étant évité, on peut se prémunir contre celui que des trous 14' trop décentrés ne deviennent trop fins pour une bonne connexion en choisissant des emplacements 13 ou 13' de plus grande superficie que pour des procédés ordinaires, qui ne garantissent pas cet alignement des lignes de connexion 3 et des points de contact 4. Le procédé peut être mis en oeuvre d'autres manières. En particulier, la couche intermédiaire 7 destinée à arrêter le creusement des tranchées 15 n'est que facultative. Le substrat 1 peut être en tout matériau convenable, mais l'invention est appréciable surtout pour les matériaux à basse permittivité tels que ceux qui sont connus sous les noms commerciaux de Silk et Fox. Le masque supérieur 9 doit être suffisamment épais pour résister à l'étape de gravure des tranchées. On peut proposer une épaisseur de 200 nm environ. Quant au masque inférieur 8, qui subsiste en général dans la structure définitive du circuit intégré, il est souhaitable qu'il ait une épaisseur plus faible, telle que 40 nm. Un mode de réalisation plus complexe peut être envisagé si une couche isolante 17 est déposée sur le substrat 1 avant le masque inférieur 8, qui la recouvre donc, comme l'illustre la figure 2A. la couche isolante 17 n'a pas d'utilité pour la gravure des trous et des lignes et sert à isoler la face supérieure de l'étage 2 mieux que ne le ferait le masque inférieur 8; elle peut être de la même composition que le masque supérieur 9 et assez fine, d'environ 50 nm. La couche inférieure 17 est gravée comme le masque inférieur 8, successivement aux emplacements des trous et des lignes et immédiatement après lui, comme l'évoquent les figures 6A et 8A. A la fin du procédé, le masque inférieur 8 est entièrement retiré, et seule subsiste la couche inférieure 17 sur le substrat 1, comme l'illustre la figure 10A. REVENDICATIONS 1. Procédé de création, dans un substrat (1), de lignes de connexion (3) et de points de contact (4) s'étendant sous les lignes de connexion (3), caractérisé en ce que, successivement, un masque inférieur (8) est déposé sur le substrat (1), un masque supérieur (9) est déposé sur le masque inférieur (8), le masque supérieur (9) est attaqué aux emplacements (11) des lignes, le masque inférieur (8) est attaqué aux emplacements (13) des points, des trous (14) sont gravés dans le substrat aux emplacements des points, le masque inférieur (8) est attaqué aux emplacements des lignes, des tranchées (15) sont gravées dans le substrat aux emplacements des lignes, et du matériau conducteur (16) est déposé dans les trous et les tranchées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les masques (8, 9) ont des compositions différentes, un seul des masques étant attaqué à la fois. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le masque supérieur (9) est retiré après que les tranchées (15) ont été gravées. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le masque inférieur est en oxyde de silicium. 5. Procédé selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le masque supérieur est en nitrure de silicium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est divisé par une couche diélectrique (7) parallèle aux masques, qui est traversée quand les trous (14) sont gravés, et qui résiste (15) quand les tranchées sont gravées. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les trous (14) sont gravés à une profondeur partielle, et achevés par une reprise de gravure quand les tranchées (15) sont gravées. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une couche isolante (17) est déposée sur le substrat (1) sous le masque inférieur (8), puis gravée aux mêmes emplacements que le masque inférieur et immédiatement après lui, et en ce que le masque inférieur (8) est retiré après que les tranchées ont été gravées, la couche isolante (17) subsistant.