Brevet FR2794892A1 — publié le 20001215

I PROCEDE DE GRAVURE DE COUCHE MINCE DIELECTRIQUE SUR SUBSTRAT DE SILICIUM ET EQUIPEMENT DE MISE EN OEUVRE L'invention concerne un procédé de gravure d'une couche mince diélectrique déposée sur un substrat de silicium, ainsi que l'équipement de gravure associé pour sa mise en oeuvre. L'invention s'applique au domaine de la micro- électronique sur substrat de silicium, et plus particulièrement à la fabrication de circuits intégrés, de mémoires à très haute densité d'intégration et autres composants de la micro- électronique, notamment ceux relatifs aux microsystèmes. Pour réaliser ces composants, des micromotifs sont habituellement gravés dans des couches minces diélectriques déposées sur un substrat de matériau semi- conducteur, classiquement du silicium. Comme illustré en coupe sur la figure 1, la gravure est effectuée sur une couche diélectrique 100 de SiO2, déposée sur le substrat de silicium 110, par attaque de cette couche à travers un masque constitué par une résine photosensible 120. Pour former le masque, la résine 120 est d'abord insolée en utilisant une machine de lithographie, comme un photorépéteur sur tranche. La résine est ensuite révélée ce qui créent des motifs séparés par des espaces 121, les motifs constituant ainsi le masque de résine. L'attaque de la couche de diélectrique 100 est réalisée classiquement par gravure ionique réactive, appelée RIE (initiales de Reactive Ion Etching, en dénomination anglo-saxonne). La RIE combine l'action d'ions fortement accélérés et d'un gaz réactif. Les micromotifs sont alors transférés de la résine 120 dans la couche diélectrique 100, comme illustré par les traits en lignes pointillées 101 indiquant la position des flancs des tranchées réalisées. Cependant, la gravure RIE présente des inconvénients majeurs, notamment au regard de la complexité croissante des micromotifs et du besoin en précision qui en résulte, en particulier lorsqu'il s'agit de graver des tranchées profondes et étroites; ainsi: - la gravure RIE s'attaque à la résine, si bien que la découpe de micromotif à reproduire n'est pas identique à l'original; - les résidus de gravure RIE de la couche diélectrique doivent être volatils afin de permettre leur élimination par pompage; mais la combinaison entre le gaz réactif utilisé et le diélectrique influe sensiblement sur la vitesse de gravure qui est donc fortement dépendante de la nature du diélectrique à graver; - le gaz réactif a des difficultés à se régénérer au fond des tranchées de la gravure, et la vitesse de gravure diminue encore fortement; - la gravure RIE n'est pas suffisamment anisotrope, si bien que les motifs ne sont pas reproduits avec la précision souhaitée; - des charges s'accumulent sur les bords et au fond des tranchées: ces charges repoussent les ions réactifs, ce qui diminue sensiblement leur densité ionique; - la vitesse de gravure du SiO2 par RIE est généralement de 0,5 pm par minute, et peut atteindre au plus une vitesse dite ( gravure grande vitesse " de 5 pm par minute, avec une densité de plasma nettement supérieure; or ces vitesses restent insuffisantes pour certaines applications, par exemple pour graver du SiO2 épais tel qu'utilisé dans les machines d'usinage micro- électronique (en abrégé MEM, initiales de Micro Electronic Machining en terminologie anglo-saxonne). La présente invention vise à pallier ces inconvénients, notamment lorsqu'il s'agit de graver des diélectriques de nature différente, d'offrir des vitesses de gravure élevées, ou de graver des micromotifs de haute précision, par exemple lorsque la gravure présente des tranchées de rapport profondeur/largeur important. Pour atteindre ces objectifs, l'invention propose d'agir par interaction ionique entre des ions moyennement chargés et décélérés et un masque conducteur. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de gravure d'une couche mince diélectrique déposée sur un substrat de silicium, dans lequel un masque conducteur ou semi-conducteur présentant des micromotifs est formé sur la couche diélectrique, et dans lequel une interaction entre un faisceau d'ions positifs moyennement chargés, de basse énergie cinétique, et la couche diélectrique est produite, le faisceau étant décéléré avant l'interaction et présentant une densité prédéterminée au niveau de la zone d'interaction pour éjecter de cette couche des agglomérats de matière et y former des micromotifs présentant des tranchées conformes aux motifs du masque, cette interaction se produisant quelle que soit la nature de la couche diélectrique. Lorsque le matériau du masque est semi- conducteur, celui-ci peut être dopé par tout moyen connu afin de le rendre plus résistant aux ions. Par ailleurs, les agglomérats de matièreS éjectées de la couche diélectrique sont de dimensions comprises entre une centaine de Angstrôm et quelques microns. Selon des modes particuliers: - l'application d'un champ électrostatique provoque l'extraction de toute la matière éjectée des tranchées formées dans la couche diélectrique; - la gravure par éjection de matière et l'extraction de la matière éjectée sont réalisées sous forme de séquences alternées; - les ions sont produits sous vide par une source d'ions avec une énergie cinétique déterminée par l'application d'un champ électrique, et sont contrôlés en direction, vitesse et densité à l'approche de la couche diélectrique à graver; - les ions générés sont des ions de gaz rares de charge uniforme, pris parmi les gaz Argon, Azote, Néon, Krypton et Xénon, les ions étant sélectionnés en nature et en direction par tri magnétique en fonction de leur rapport charge/masse; - la densité des ions au niveau de la zone d'interaction avec la couche diélectrique est comprise entre 103 et 101 ions/cm2.s, et est contrôlée par le débit de la source d'ions ainsi que par les dimensions du faisceau au niveau de la zone d'interaction; - les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme comprise, au sens large entre +4 à +14. Avantageusement, le procédé selon l'invention peut être utilisé sur tout type de couche diélectrique, en particulier sur les diélectriques utilisés en micro- électronique ou microsystème: SiO2, Si3N4, Ta2O5, TiO2, W03, A1203, NiO, etc. Il permet de former des tranchées de micromotifs dont les flancs sont creusés au droit des motifs du masque, car si des ions se dirigent par hasard vers ces flancs, ces seraient réfléchis par effet " trampoline " qui repousse les ions. Cependant, l'ensemble des ions se dirigent normalement au plan défini par le masque et vont creuser le fond de la tranchée par éjection de matière, jusqu'à atteindre le substrat de silicium: la gravure est ainsi essentiellement anisotrope et permet de réaliser des tranchées droites et profondes, l'effet d'érosion des flancs ne pouvant dépasser le rayon d'action des ions qui reste inférieur à 2 nm. Ce procédé permet également d'obtenir des vitesses de gravure de SiO2 supérieures, pouvant atteindre pm/min et même au-delà. L'invention concerne également un équipement de mise en euvre du procédé, cet équipement comportant un réacteur de production d'ions sous vide de type ECR (initiales de Electron Cyclotron Resonance, en dénomination anglo-saxonne) couplé à des moyens de sélection en vitesse et en direction des ions, à des moyens de décélération des ions et à des moyens de contrôle en direction, vitesse et densité de ces ions au niveau de la zone d'interaction entre les ions et la couche diélectrique avant la traversée d'un masque de micromotifs conducteur ou semi-conducteur. Selon des modes de réalisation particuliers d'un tel équipement des moyens électrostatiques d'extraction et de collecte d'agglomérats éjectés de la couche diélectrique sont prévus, ces moyens électrostatiques pouvant être constitués par un écran collecteur négativement polarisé, disposé au-dessus du masque par des moyens d'attelage et déplacé en continu par des moyens d'entraînement mobiles. Les valeurs de polarisation, de vitesse de déplacement, et de largeur de l'écran, ainsi que de la densité des ions au niveau de la zone d'interaction, sont de préférence ajustées en fonction de la largeur, de la profondeur et de la densité des tranchées à réaliser, prises en valeurs moyennes. De plus, afin d'améliorer l'efficacité de l'extraction de matière diélectrique, l'écran et le masque sont polarisés simultanément, la polarisation étant coupée périodiquement pour décharger l'écran. Selon d'autres modes particuliers de mise en oeuvre: - la source ECR produit des ions dont l'énergie cinétique est comprise entre 5 et 20 keV/q par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts; un champ électrique et/ou magnétique dirigent les ions vers le substrat; la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de volts; - une sélection fine des ions en vitesse et en direction est réalisée respectivement par des moyens de filtrage de type passe-bande ou passe-haut à champ électrique, qui sélectionnent les ions en vitesse en fonction de leur énergie cinétique, couplés à des moyens de collimation, qui sélectionnent les ions en direction par élimination des ions dont la vitesse latérale est supérieure à un certain seuil; les moyens de collimation sont constitués préférentiellement par une série de diaphragmes de diamètre millimétrique et distants de quelques dizaines de centimètres; - la densité des ions est contrôlée au niveau de la zone d'interaction par des moyens de focalisation du faisceau et par le réglage de la source d'ions par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique, par exemple par une lentille électrostatique unipolaire; - la densité du faisceau d'ions au niveau de la zone d'interaction avec le substrat est comprise entre 1012 et 1015 ions/cm2.s. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, relative à un exemple de réalisation non limitatif, et en référence aux figures annexées qui représentent respectivement: - la figure 1 (déjà décrite), une vue en coupe d'un micromotif réalisé par gravure RIE dans une couche de SiO2; - les figures 2a et 2b, deux étapes de préparation d'un masque conducteur vu en coupe selon le procédé de gravure de l'invention; - la figure 3, une vue en coupe d'une couche diélectrique gravée selon le procédé de l'invention et montrant le trajet d'ions dirigés vers le fond ou un flanc de la tranchée formée dans la couche diélectrique. - la figure 4, une vue de dessus montrant le déplacement de l'écran collecteur de l'équipement selon l'invention; - la figure 5, une vue latérale montrant la collecte d'agglomérats par un écran collecteur; - la figure 6, une station de décharge d'agglomérats extraits et récupérés par l'écran collecteur. Sur les figures 1 à 6, les mêmes signes de référence désignent des éléments identiques. Les figures 2a et 2b présentent la préparation d'un masque conducteur sur une couche diélectrique 100 de SiO2, déposée sur un substrat de silicium 110 selon un procédé connu, par exemple de dépôt sous vide en phase vapeur. Sur la couche diélectrique 100, est déposée une couche mince conductrice, par exemple en aluminium, pour former un masque conducteur 130. La couche d'aluminium présente une épaisseur de l'ordre de 100 pm. Sur cette couche conductrice, une résine photosensible 120 est insolée et révélée selon les méthodes connues, telles que rappelées plus haut, pour y inscrire les motifs à transférer. Les motifs de la résine 120 sont d'abord transférées dans la couche conductrice par gravure ionique réactive RIE pour former le masque 130, comme illustré par la figure 2b. La résine est éliminée selon les méthodes connues, par exemple par dissolution dans un solvant. La couche conductrice ainsi découpée est prête pour servir de masque de transfert des micromotifs dans la couche 100 de SiO2. Ce transfert est réalisé par l'interaction produite entre la couche diélectrique du substrat telle que masquée à l'étape précédente, et des ions émis par un réacteur sous vide poussé, de l'ordre de 10-8 à 10-'l mbar, obtenu par des moyens de pompage connus. Le résultat du transfert des motifs est illustré par les traits en lignes pointillées 102 indiquant la position des flancs des tranchées obtenues. Le réacteur est équipé d'une source de faisceau d'ions de type ECR. La source produit des ions Argon Ar8+ à basse énergie cinétique, de quelques keV/q (q étant le nombre de charges par ion), généralement de 1 à 20 keV/q, 10 keV/q dans l'exemple de mise en oeuvre. L'énergie cinétique d'extraction est réglée par l'application d'une tension d'extraction, qui est égale à 10 kV dans le cas présent. Les paramètres de réglage de la source sont par ailleurs ajustés pour fournir le débit d'ions souhaité. Les dimensions du faisceau d'ions sont également réglées par les moyens appropriés, connus de l'homme de l'art, pour définir, avec le débit, la densité du faisceau d'ions, c'est-à-dire le nombre d'ions par unité de surface et de temps. Les ions extraits sont triés, suivant leur rapport masse/charge, par un aimant de tri associé à la source. Un " scanner " (analyseur, en dénomination anglo- saxonne) à collection de charges contrôle la position du faisceau d'ions triés pour le diriger vers le substrat de silicium. Ce scanner est formé d'un fil, d'une grille ou de plaques qui recueille les charges selon deux directions principales et orthogonales, afin de permettre un comptage des charges selon ces deux directions. Ce comptage permet alors de mesurer les profils d'intensité et de repérer la position du faisceau. Il est également possible d'utiliser un détecteur de lumière comportant un tel scanner et d'établir le profil d'intensité et la position du faisceau à partir du nombre de photons émis par les ions captés sur le fil, la grille ou les plaques. Les ions sont plus précisément sélectionnés par des moyens de sélection fine d'ions, constitués par: - un filtre de type passe- bande ou passe-haut à champ électrique, connu de l'homme de l'art, qui sélectionne les ions en fonction de leur énergie cinétique, les ions d'énergie égale à environ 10 keV/q étant sélectionnés dans cet exemple; couplé à - une série de diaphragmes, de diamètre de l'ordre du millimètre, disposés à environ 20 à 30 cm les uns des autres: ces moyens éliminent les ions dont la composante latérale de vitesse, perpendiculaire à la direction générale du faisceau, est supérieure à une valeur donnée, correspondant ici à une énergie cinétique de i eV/q. Le réacteur, les moyens de tri, le scanner et les moyens de sélection sont indiqués globalement sur la figure 3 par la référence 10. Un champ électrique de décélération ralentit les ions à l'approche de la surface de la couche diélectrique 100 jusqu'à atteindre une énergie cinétique de quelques eV/q. Ce champ électrique est produit au milieu d'un condensateur plan formé par une électrode et le substrat entre lesquels on applique une tension de décélération. Cette tension, réglée par un potentiomètre, est ajustée généralement entre 1 et 20 kV, 10 kV dans l'exemple. A l'approche de surfaces conductrices comme le masque 130, les ions chargés positivement capturent des électrons fournis par le réservoir que constitue un matériau conducteur. Les ions n'auront donc aucune interaction avec les motifs du masque métallique 130. En revanche, à l'intérieur des découpes effectuées dans la couche conductrice, c'est-à-dire dans les espaces libres 140 du masque 130, les ions interagissent avec la couche diélectrique 100 de SiO2. L'extraction de matière s'opère de la façon suivante, comme illustré par la figure 3. Lorsqu'un ion Ar8+ 30 pénètre dans une zone d'interaction à proximité d'une zone de SiO2 accessible 150, les électrons qui forment les liaisons de valence de cette zone située en regard de l'ion 30, sont affaiblies par l'ion. La zone 150 est alors chargée positivement, ce qui créé entre les atomes de cette zone des forces de répulsion supérieures aux forces de cohésion de la matière: des agglomérats de matière 105, positivement chargés, sont ainsi éjectées de la couche diélectrique 100. Ces éjections creusent cette couche selon une tranchée droite 160 jusqu'à atteindre la surface supérieure du substrat de silicium 110. L'intensité des forces de répulsion, et donc la capacité d'extraction de matière qui s'en déduit, dépend des caractéristiques du faisceau d'ions, et en particulier de sa densité de charges qui peut varier entre 108 à 10" ions/cm2.s, mais plus particulièrement entre 1012 et 10:5. Cette densité est contrôlée au niveau du substrat par la dimension du faisceau d'ions réglée par une lentille électrostatique unipolaire qui focalise ce faisceau. Dans l'exemple de mise en oeuvre: - le faisceau d'ions Are+ a une intensité de 0,5 mA et une section de 1 cm2; et - la densité d'ions incidents s'élève à 4.10" ions/cm2.s. Dans ces conditions, la vitesse de gravure est d'environ 15 pm/min avec un courant ionique de 0,5 mA/cm2. Les flancs 161 des tranchées formées par l'éjection de matière sont creusés exactement au droit de la découpe 141 du masque 130, du fait que les ions 31 inclinés qui se dirigeraient vers ces flancs seraient réfléchis par effet trampoline. Les flancs ne sont donc pas creusés audelà du champ d'interaction des ions dirigés perpendiculairement au substrat, soit moins de 2 nm, ce qui confère à la gravure un caractère fortement anisotrope. le processus d'éjection de matière est auto- stoppant lorsque la tranchée qui se creuse sous l'effet des expulsions de matière atteint le substrat. En effet, les ions chargés sont neutralisés par les électrons pompés des profondeurs du substrat de silicium 110, et l'expulsion de matière s'arrête faute de matière à éjecter. Afin d'éviter l'obstruction des tranchées 160 au cours de leur formation, les agglomérats éjectés 105, chargés positivement, sont extraits du fond des tranchées et collectés par un écran électrostatique 40, comme illustré par la vue supérieure de la figure 4 et la vue en coupe de la figure 5. L'écran collecteur est formé d'une lame métallique 40 polarisée négativement par un circuit de charge 41 et est supporté par un attelage 42. Cet attelage est entraîné en translation selon deux axes X-Y, pour suivre une trajectoire parallèlement à la face supérieure du masque 130 et distante d'environ 1 mm au plus. Des moyens de motorisation programmés, connus de l'homme de l'art, sont utilisés pour entraîner l'attelage. Pour que l'écran collecteur puisse continuer à accumuler les agglomérats, il est prévu, comme montré par la figure 6, un poste de décharge disposé à proximité d'un porte substrat 200 sur lequel est monté le substrat 110. Périodiquement, selon une fréquence préétablie, égale à un passage toutes les 10 minutes dans l'exemple de réalisation, la polarisation de l'écran est coupée et l'écran collecteur est déchargé par arrêt au-dessus d'une rigole 60 polarisée. Lorsque toute la charge est passée dans la rigole, l'écran est ramené au-dessus du substrat pou poursuivre la trajectoire programmée. Pour un circuit présentant des micromotifs dont le rapport de surface gravée à la surface totale de la tranche de silicium est de 50%, les valeurs suivantes de collecte sont prévues: - la polarisation de l'écran est de l'ordre de 500 à 1000 V; - la vitesse de déplacement de l'écran est de l'ordre du Herz (un passage par seconde); - la largeur de la lame est de 1 cm; - la densité des ions au niveau du substrat est de 4.104 ions/cm2.s; - des durées alternées de séquences de gravure et d'extraction d'agglomérats sont respectivement de 10 à 1 seconde. Une opération combinée de gravure et d'extraction de matière dure quelques minutes pour une épaisseur de gravure de quelques microns. Une fois l'opération terminée, le masque 130 est retiré afin de réaliser les connexions finales du circuit ainsi formé. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Afin d'accroître l'efficacité d'extraction des agglomérats, le masque conducteur et l'écran collecteur sont polarisés simultanément et périodiquement pour réaliser des séquences alternées de gravure et d'extraction de matière. Par ailleurs, des moyens de collimation du faisceau d'ions au niveau de la zone d'interaction peuvent être constitués de champs électriques et/ou magnétiques. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure d'une couche mince diélectrique (100) sur un substrat de silicium (110), caractérisé en ce qu'un masque (130) conducteur ou semi- conducteur présentant des découpes (141) de micromotifs est formé sur la couche diélectrique (100), et en ce qu'il est produit une interaction entre un faisceau d'ions positifs (30, 31) moyennement chargés, de basse énergie cinétique, et la couche diélectrique (100), le faisceau étant décéléré avant l'interaction et présentant une densité prédéterminée au niveau de la zone d'interaction pour éjecter de cette couche (100) des agglomérats (105) de matière et y former des micromotifs présentant des tranchées (160) conformes aux motifs du masque, cette interaction se produisant quelle que soit la nature de la couche diélectrique (100). 2. Procédé de gravure selon la revendication 1, dans lequel un champ électrostatique provoque l'extraction de toute la matière éjectée des tranchées formées dans la couche diélectrique. 3. Procédé de gravure selon la revendication 2, dans lequel la gravure par éjection de matière et l'extraction de la matière ainsi éjectée sont réalisées sous forme de séquences alternées. 4. Procédé de gravure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les ions (30, 31) sont produits sous vide par une source d'ions avec une énergie cinétique d'émission déterminée par l'application d'un champ électrique, et sont contrôlés en direction, vitesse et densité à l'approche de la couche diélectrique (100) à graver. 5. Procédé de gravure selon la revendication 4, dans lequel les ions générés sont des ions de gaz rares de charge uniforme pris parmi les gaz Argon, Azote, Néon, Krypton et Xénon, les ions étant sélectionnés en nature et en direction par tri magnétique. 6. Procédé de gravure selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel la densité des ions au niveau de la zone d'interaction avec la couche diélectrique, comprise entre 108 et 1016 ions/cm2.s, est contrôlée par le débit de la source d'ions ainsi que par les dimensions du faisceau au niveau de la zone d'interaction. 7. Procédé de gravure selon la revendication 5, dans lequel les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme comprise entre +4 à +14. 8. Equipement de mise en ouvre du procédé de gravure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur de production d'ions (30, 31) sous vide de type ECR, couplé à des moyens de sélection en vitesse et en direction de ces ions, à des moyens de décélération des ions et à des moyens de contrôle en direction, vitesse et densité de ces ions au niveau de la zone d'interaction entre les ions et la couche diélectrique (100) avant la traversée d'un masque (130) de micromotifs conducteur ou semi-conducteur. 9. Equipement selon la revendication 8, dans lequel sont prévus des moyens électrostatiques de collecte d'agglomérats (105) extraits de la couche diélectrique (100) lors de cette interaction. 10. Equipement selon la revendication 9, dans lequel les moyens électrostatiques de collecte sont constitués par un écran collecteur (40) négativement polarisé, disposé au-dessus du masque (130) par des moyens d'attelage (42) et déplacé en continu par des moyens d'entraînement mobiles. 11. Equipement selon la revendication 10, dans lequel les valeurs de polarisation, de vitesse de déplacement, et de largeur de l'écran (40), ainsi que de la densité des ions au niveau de la zone d'interaction, sont ajustées en fonction de la largeur, de la profondeur et de la densité des tranchées (160) à réaliser, prises en valeurs moyennes. 12. Equipement selon la revendication 11, dans lequel l'écran (40) et le masque (130) sont polarisés simultanément, la polarisation étant coupée périodiquement pour décharger l'écran. 13. Equipement selon l'une des revendications 8 à 12, dans lequel la source ECR produit des ions dont l'énergie cinétique d'émission est comprise sensiblement entre 5 et 20 keV/q par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts, dans lequel une application de champ électrique et/ou magnétique dirigent les ions vers le substrat, et dans lequel la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de volts. 14. Equipement selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, dans lequel une sélection fine des ions en vitesse et en direction est réalisée respectivement par des moyens de filtrage de type passe-bande ou passe- haut à champ électrique, qui sélectionnent les ions en vitesse en fonction de leur énergie cinétique, couplés à des moyens de collimation, qui sélectionnent les ions en direction par élimination des ions dont la vitesse latérale est supérieure à un certain seuil. 15. Equipement selon l'une quelconque des revendications 8 à 14, dans lequel la densité des ions est contrôlée au niveau de la zone d'interaction par des moyens de focalisation du faisceau et par le réglage de la source d'ions par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique. 16. Equipement selon la revendication 15, dans lequel la densité du faisceau d'ions au niveau de la zone d'interaction avec le substrat est comprise entre 1012 et 1015 ions/cm2.s, la focalisation du faisceau étant contrôlée par une lentille électrostatique unipolaire. 17. Equipement selon la revendication 14, dans lequel les moyens de collimation sont constitués par une série de diaphragmes de diamètre millimétrique et distants de quelques dizaines de centimètres.