Brevet FR2796758A1 — publié le 20010126

La présente invention concerne le domaine de la fabrication de produits semi-conducteurs sous forme de circuits intégrés. Elle a trait aux techniques photo-lithographiques et d'obtention de planéité utilisées dans la fabrication des circuits intégrés. La présente invention concerne plus particulièrement encore les techniques qui permettent l'obtention de la planéité des substrats en lithographie avancée, à savoir la planarisation et le polissage mécano-chimique. Dans les étapes de fabrication d'un circuit intégré, des couches de matériaux semi-conducteurs, isolantes ou métalliques doivent être déposées, puis lithographiées et gravées. Ces couches peuvent être de topographies variables, planes ou en relief. De façon conventionnelle, la lithographie s'effectue par dépôt d'une couche de résine photosensible sur une couche à lithographier, dont on ne sensibilise que certaines zones qui seront ensuite développées dans un développeur approprié à la nature chimique de la résine, révélant ainsi des zones spécifiques de la couche à lithographier. L'étape de lithographie, comme les étapes de dépôt des différents matériaux, s'effectue avec un bien meilleur résultat lorsque la surface sousjacente est plane. Cependant, la topographie des substrats augmente au cours de la fabrication des circuits intégrés, au fur et à mesure des dépôts et gravures successifs au point de rendre critique la réalisation de certaines étapes. C'est pourquoi on utilise des techniques de "planarisation" afin d'aplanir la topographie dès le début de la fabrication des circuits intégrés. Ces techniques peuvent être une planarisation dénommée "etch- back", qui consiste à déposer une couche de résine qui aplanit le relief, la planéité étant transférée dans le substrat par gravure plasma, ou le polissage mécano-chimique qui consiste à abraser une couche épaisse d'isolant ou de conducteur déposée sur le substrat. L'obtention de la planéité est vitale lors des premières étapes de la fabrication des circuits intégrés et en particulier, lors de la fabrication des zones d'isolement des transistors. Aujourd'hui, les zones d'isolement sont généralement aplanies par polissage mécano-chimique. Cette technique rencontre cependant certaines limitations liées aux dimensions sans cesse réduites pour la fabrication de circuits d'une densité toujours plus grande. Une méthode d'amélioration des performances du polissage mécano-chimique est l'utilisation d'une technique de préplanarisation par contre-masquage et gravure. On va préciser ci-dessous ces techniques connues de planarisation. La technique de polissage mécano-chimique remplace généralement les autres techniques de planarisation depuis quelques années en raison de sa meilleure uniformité à longue distance et son meilleur débit. Le principe de la technique de polissage mécano-chimique est l'abrasion de couches (généralement de la silice et plus récemment de cuivre) par le frottement mécanique d'un tissu abrasif (mouvement rotatif 2 0 ou de translation) sous une certaine pression et en présence d'une solution chimiquement agressive vis à vis de la couche à abraser. L'abrasion combinée chimique/mécanique permet une vitesse d'abrasion élevée et le réglage de l'anisotropie d'attaque (l'attaque chimique est plus isotrope, tandis que l'attaque mécanique est plus directive) sur toute la surface de la plaquette, avec une bonne uniformité globale. Cependant, si l'uniformité est bonne à très longue distance, la technique de polissage mécano-chimique - comme les autres techniques de planarisation - reste sensible à la densité topographique. La sensibilité à la densité topographique est de l'ordre de 100 microns pour les techniques utilisant l'aplanissement procuré par le dépôt d'une couche de résine et il est de l'ordre du millimètre pour la technique de polissage mécanochimique. La conséquence est que pour des puces o il existe des zones très denses de quelques millimètres de largeur séparées par des zones peu denses, on observe un effet appelé "dishing effect" dans la littérature anglaise et qui se manifeste par un effet de creusement dans les zones peu denses (qui offrent peu de résistance à l'abrasion) ou de bosselage pour les zones denses (qui résistent à l'abrasion) comme représenté sur la figure I annexée. Sur cette figure 1, on a référencé 10 un substrat semi-conducteur comprenant des zones 12 peu denses et des zones 14 plus denses et on 1o a schématisé en 30 un tissu utilisé pour le polissage mécanique, ici par rotation sur le substrat 10 autour d'un axe 0-0 perpendiculaire au plan moyen du substrat 10. En raison de cet effet lié à la densité, la technique de polissage mécanochimique est limitée à la planarisation de structures de dimensions supérieures à 0,3 pm. Pour des technologies inférieures, la technique de polissage mécano-chimique est précédée d'une pré-planarisation par contre- masquage et gravure de tous les éléments topographiques positifs comme illustré sur les figures 2. Plus précisément sur ces figures 2a, 2b, 2c on a schématisé en 10 un substrat comportant différentes couches de matériau semi-conducteur, isolant ou métallique, selon la fonction recherchée, dont la couche supérieure 16, par exemple une couche d'oxyde, présente initialement, comme on le voit sur la figure 2a, une topographie marquée, c'est-à-dire à reliefs. Comme représenté sur la figure 2a, une couche de résine photosensible 20 est déposée sur la couche 16. Puis un masque 22 est superposé à cette couche photosensible 20. Le masque 22 comporte des ouvertures 24 de géométrie adaptée aux reliefs en saillie de la couche 16 et respectivement superposées à ceux- ci. Un flux d'irradiation 26 auquel est sensible la résine 20, par exemple un flux ultraviolet, est appliqué sur la couche de résine 20, à travers le masque 22. Puis la couche de résine 20 est développée. On obtient alors comme illustré sur la figure 2b, des éléments 21 de la couche de résine 20 demeurant sur la couche supérieure 16 du substrat entre les reliefs marqués de cette couche 16. Il reste alors à procéder au polissage mécanique à l'aide d'une toile 30, comme illustré sur la figure 2c. Cette technique connue illustrée sur les figures 2a, 2b, 2c est généralement dénommée "pré-planarisation par contre-masquage et gravure directe de structures d'isolement latéral par tranchées peu profondes STI (shallow trench isolation) avant polissage mécano- chimique". Les techniques antérieures décrites précédemment sont limitées à des technologies de 0,3 micron lorsque la technique de polissage mécano-chimique représentée sur la figure 1 est utilisée seule. Elles sont limitées à des technologies de 0,25 micron pour la technique de pré-planarisation par contre-masquage et gravure des éléments topographiques positifs telle qu'illustrée sur la figure 2. En effet, cette dernière technique est limitée en raison des problèmes de désalignement possible entre le masque 22 et la topographie du dispositif semi-conducteur sous-jacent, inhérents à la photo lithographie. Le désalignement peut être de l'ordre de 0,1 pm, et peut conduire à une surgravure indésirable des zones d'isolement lorsque le masque 22 est décalé. Pour des technologies inférieures ou égales à 0,18 microns, une autre technique est donc nécessaire. On utilise parfois une technique de pré-planarisation par dépôt de deux couches successives de résine. Cette technique est publiée sous le nom de TLP (two layers planarization). On en trouvera un descriptif dans le document [1]. Cette technique est schématisée sur la figure 3. On retrouve sur la figure 3a un substrat 10 comportant différentes couches de matériau semi-conducteur, isolant ou métallique, dont la couche supérieure 16 présente initialement (voir figure 3a) une topographie s marquée. Une première couche de résine photosensible 20 est déposée et lithographiée avec un contre-masque spécial 22 comportant une réduction de ses ouvertures 24 (voir figure 3a) et par conséquent de la taille des motifs de résine résultant 21 servant à masquer les zones d'isolement sur le substrat 10 (voir figure 3b). Ceci permet un centrage du masque insensible au désalignement et autorise le fluage thermique de la résine dans les creux d'isolement (voir figure 3c). Le traitement thermique permet également la réticulation de la première couche 20, ce qui rend insoluble et autorise le dépôt d'une deuxième couche 28. La deuxième couche 28 planarise les ondulations résiduelles et permet l'obtention d'une surface quasiment plane sur toute la surface comme on le voit sur la figure 3c. Après le dépôt des deux couches de résine, la planéité de la surface est transférée dans le substrat par gravure plasma comme schématisé sur les figures 3c et 3d, dans des conditions telles que la résine 20, 28 et la couche d'oxyde sous-jacente 16 se gravent à la même vitesse. La gravure est arrêtée à 100 nanomètres au-dessus de la couche des zones actives, par exemple d'une couche de nitrure, et les plaques sont transférées vers un poste de polissage mécano-chimique o la planarisation est continuée avec arrêt dans la couche de nitrure afin d'obtenir une structure plane avec des zones d'isolement noyées dans le silicium. Cependant, cette technique est elle aussi sensible à la densité topographique car les zones du substrat comportant de très petits motifs sont exclues en raison de la réduction de la taille des motifs de résine (voir figure 3b) due à la réduction de la taille des ouvertures 24 du masque 22. Et si ces zones sont grandes, elles conduisent à un phénomène similaire au "dishing effect" rencontré en polissage mécano-chimique pur, comme représenté sur la figure 4. Sur la figure 4, on a illustré: - en figure 4a, le substrat 10 comportant la couche en relief 16 avant le processus de planarisation, - en figure 4b, la structure après dépôt et photo lithographie de la première couche 20, - en figure 4c, la structure après dépôt et recuit de la deuxième couche 28, - en figure 4d, la structure après planarisation (transfert du profil aplani) par plasma, et - en figure 4e, la structure après polissage mécano-chimique. Sur la figure 4e, on observe un différentiel de cote entre les zones denses (de moindre épaisseur) et les autres zones, résultant notamment de l'absence de traces de la première couche 20 avant dépôt de la seconde couche 28 (et par la force des choses avant gravure plasma et polissage mécano-chimique) au dessus des zones denses. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer de nouveaux moyens permettant d'améliorer la planéité des dispositifs semi- conducteurs pendant leur processus de fabrication. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de correction des effets topographiques sur substrat en micro- électronique comprenant les étapes consistant à déposer une couche de résine sur la structure à planariser comportant une topographie en relief entourée de zones d'isolement et à soumettre cette couche de résine, au niveau de ses zones superposées aux zones de forte densité de topographie sous jacente, à une photo lithographie à l'aide d'un masque possédant des mailles standard sans coïncidence univoque avec la topographie sous-jacente. Plus précisément encore, de préférence, selon la présente invention, le procédé de correction des effets topographiques sur substrat en micro- électronique comprend les étapes consistant à: i) déposer une première couche de résine sur la structure à planariser comportant une topographie en relief entourée de zones d'isolement, ii) soumettre cette couche de résine au niveau de ces zones superposées aux zones de faible densité de topographie sous-jacente à une photo lithographie à l'aide d'un masque imposant des motifs de résine de taille inférieure aux zones d'isolement sous-jacentes à masquer, iii) soumettre la couche de résine au niveau de ces zones superposées aux zones de forte densité de topographie sousjacente à une photo lithographie à l'aide d'un masque possédant des mailles standard sans coïncidence univoque avec la topographie sousjacente, iv) soumettre la première couche de résine ainsi photolithographiée à un fluage thermique de telle sorte que les zones restantes de la première couche de résine recouvrent les zones d'isolement, v) déposer une seconde couche de résine, vi) opérer une gravure plasma, puis, vii) opérer un polissage mécanochimique. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention, apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement l'effet de creusement obtenu sur des zones peu denses et inversement l'effet de polissage obtenu sur des zones denses lors de polissage classique mécano- chimique, - les figure 2a, 2b, et 2c représentent trois étapes principales successives d'un processus classique de pré-planarisation par contre- masquage et gravure directe, - les figures 3a, 3b, 3c et 3d représentent quatre étapes principales successives d'un processus classique de préplanarisation par technique double couche et transfert de planéité par gravure plasma avant polissage mécano-chimique, - les figures 4a, 4b, 4c, 4d et 4e représentent schématiquement la structure obtenue lors de cinq étapes successives de ce processus, - les figures 5a, 5b, 5c, 5d et 5e représentent schématiquement la structure obtenue lors de cinq étapes successives de la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention, - la figure 6 représente la structure de la première couche de résine après photo lithographie à l'aide du masque possédant des mailles standard, et - la figure 7 représente une vue de la même couche après fluage. Comme indiqué précédemment, la présente invention a pour but de permettre l'obtention d'une planéité quasi parfaite sur l'ensemble d'une structure semi conductrice, quelles que soient les dimensions et la densité des motifs. Pour cela, la présente invention propose de traiter différemment par photo lithographie, les zones d'une couche de résine, selon que ces zones sont superposées à des régions de forte densité de motifs ou de faible densité de motifs de la structure semi conductrice sous-jacente. On a représenté sur la figure 5a, un substrat 10 comportant une couche en relief 16, avant le processus de planarisation. Dans le cadre de la présente invention, après avoir déposé une première couche de résine 200 sur la structure à planariser, les zones de celle-ci superposées aux zones de forte densité de la topograhie sous- jacente, sont soumises à une photo lithographie à l'aide d'un masque possédant des mailles standard, c'est-à-dire des mailles sans coïncidence directe et univoque avec la topographie sous-jacente. On notera que ce masque ne tient pas compte des motifs de faible dimension mais isolés. En revanche, les zones de la couche de résine 200 superposées à des zones de faible densité de la structure semi conductrice sont soumises à une photo lithographie à l'aide d'un masque imposant des motifs de résine de taille inférieure aux zones d'isolement sous-jacentes à masquer. Sur la figure 5b, on a référencé 202 les éléments de la première couche de résine 200 résultant de la photo lithographie à l'aide du masque à mailles standard et on a référencé 204, les éléments de cette couche de résine 200 superposées aux zones de faible densité de topographie. Les masques utilisés pour assurer la photo lithographie de la couche o10 de résine 200 respectivement en regard des zones de forte densité et en regard des zones de faible densité de la topographie peuvent être formées d'un masque commun ou de masques distincts. On notera que tout comme le masque à mailles standard, le masque utilisé pour la photo lithographie au niveau des zones de faible densité de topographie est adapté pour exclure la couche de résine 200 au niveau des motifs de topographie isolés de petite dimension. De préférence, dans le cadre de l'invention, le masque à mailles standard comporte des lignes en grillage, par exemple orientées à 45 entre elles. Après photo lithographie complète de la première couche de résine , celleci est de préférence soumise à une étape de fluage thermique, de sorte que grâce à la viscosité et à la tension de surface résine fondue /silice 16 sous-jacente, la résine fondue 202, 204 coule dans les zones d'isolement. Ceci ressort notamment des figures 6 et 7 qui représentent respectivement la couche de résine 200 au niveau des zones de forte densité de topographie, respectivement avant et après fluage thermique. Selon l'invention, I'on procède ensuite au dépôt d'une seconde couche de résine 210. Cette deuxième couche 210 conduit à une planéité 3 o quasi parfaite que l'on transfère dans la sous couche 16 par gravure plasma comme illustré sur la figure 5d. Il reste alors à procéder au polissage mécanochimique classique en soi, pour obtenir une structure quasi plane comme illustré sur la figure 5e. Le procédé conforme à la présente invention permet d'obtenir ainsi une planéité finale excellente avec des variations topograhiques résiduelles inférieures à 50nm sur toute la plaque. La largeur des lignes du masque à mailles standard et leur espacement, peut résulter d'un calcul de remplissage des zones denses à l'aide d'un modèle de planarisation tel que celui cité en référence 2. Pour la préplanarisation de motifs du type STI de 0,2pm espacés de o 0, 3pm et d'une épaisseur de 0,4pm, la grille du masque peut correspondre à des lignes 0,5pm espacées de 2pm. Par ailleurs, I'épaisseur de résine peut être fixée à une hauteur d'environ 0,6 à 0,7pm pour des motifs STI de 0,4 à 0,5pm de hauteur. Le masque utilisé pour la photo lithographie de la couche de résine 200 au niveau des zones de faible densité présente de préférence typiquement une réduction de taille comprise entre 0,2 et 0,8pm par rapport à la topographie réelle sous-jacente. La lithographie des deux masques appliquée à la première couche de résine 200 est effectuée de préférence de manière successive sur le photorépéteur pour éviter de perdre du temps à réaligner la plaquette et le deuxième masque. On notera par ailleurs que dans le cadre du procédé conforme à la présente invention, la largeur des lignes grillagées formée dans la couche de résine 200 est ajustable pour un masque donné, selon la hauteur des dispositifs STI, grâce à l'utilisation d'une zone d'isolation plus ou moins grande appliquée au masque à mailles standard, le masque superposé aux zones de faible densité étant de préférence quant à lui insolé dans des conditions standards. Cet ajustement permet de corriger, voir de remplacer le calcul de I'espacement des lignes grillagées afin d'obtenir un remplissage optimum des grandes zones denses qui conduisent à une planéité globale quasi parfaite. On notera par ailleurs que le procédé conforme à la présente invention, permet l'utilisation d'une résine photosensible "i.line", c'est-à-dire une résine photosensible destinée généralement aux dessins de technologie à 0,35pm. Cette utilisation est possible en raison de l'exclusion de tous les petits motifs du contre masque. Ainsi, la présente invention permet une mise en oeuvre dite "non critique", car susceptible d'être réalisée à l'aide de résine et équipement très classiques, procédure beaucoup moins difficile à mettre en oeuvre et moins chère que les technologies plus récentes de type DUV. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. REFERENCES [1] A. Schiltz and M. Pons, J. of the Electrochem. Soc., Vol. 133, 178 (1986) [2] A. Schiltz, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 34, pp 4185-4194 (1995) REVENDICATIONS 1. Procédé de correction des effets topogaphiques sur substrat en microélectrique, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à déposer une couche de résine (200) sur la structure à planariser comportant une topographie en relief entourée de zones d'isolement et soumettre cette couche de résine (200) au niveau de ces zones superposées aux zones de forte densité de topographie sous-jacente à une photo lithographie à l'aide d'un masque possédant des mailles standard sans coïncidence univoque avec la topographie sous-jacente. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes consistant à: i) déposer une première couche de résine (200) sur la structure à planariser comportant une topographie en relief entourée de zones d'isolement, ii) soumettre cette couche de résine (200) au niveau de ses zones superposées aux zones de faible densité de topographie sous-jacentes à une photo lithographie à l'aide d'un masque imposant des motifs de résine (204) de taille inférieure aux zones d'isolement sous-jacentes à masquer, iii) soumettre la couche de résine (200) au niveau de ses zones superposées aux zones de forte densité de topographie sous-jacentes à une photo lithographie à l'aide d'un masque possédant des mailles standard sans coïncidence univoque avec la topographie sous-jacente, iv) soumettre la première couche de résine (200) ainsi photo lithographiée à un fluage thermique de telle sorte que les zones restantes de la première couche de résine recouvrent les zones d'isolement, v) déposer une seconde couche de résine (210), vi) opérer une gravure plasma, puis vii) opérer un polissage mécano chimique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les étapes ii) et iii) sont réalisées à l'aide d'un masque commun comportant des zones respectivement dédiées aux zones de faible densité et aux zones de forte densité de topographie sous-jacente. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les étapes ii) et iii) sont réalisées à l'aide de masques distincts. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens formant masque sont adaptés pour exclure la couche de résine (200) au niveau des motifs de zones d'isolement isolées de petites dimensions. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens formant masque utilisés à l'étape iii) comportent des lignes en grillage. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que les moyens formant masque utilisés à l'étape iii) comprennent des lignes en grillage à 45 . 1 5 8. Procédé selon l'une des revendications I à 7, caractérisé par le fait que les moyens formant masque comprennent des lignes d'une épaisseur de 0,5pm espacée de 2pm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre l'étape consistant à ajuster l'insolation utilisée à I'étape iii) pour obtenir un remplissage optimum des grandes zones denses de topographie.