Brevet FR2815770A1 — publié le 20020426

PROCEDE DE LITHOGRAPHIE IONIQUE A HAUTE SELECTIVITE L'invention concerne un procédé de lithographie ionique à haute sélectivité pour la gravure des couches diélectriques déposées sur les substrats de matériau semi-conducteur. L'invention s'applique au domaine de la micro-électronique sur substrat de semi-conducteur, 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 micro- systèmes. Pour réaliser ces composants, des motifs sont gravés dans des couches minces diélectriques, en général du Si02, déposées sur un substrat de matériau semi-conducteur, classiquement du silicium. Les motifs ont des dimensions de plus en plus réduites, on parle de micromotifs , bornées par des dimensions critiques de l'ordre de 0, 25 um, actuellement en cours de production, mais qui atteignent environ 0,18 um en développement. Ces dimensions critiques définissent la résolution recherchée en micro- électronique, et cela sur une large population de circuits. De manière connue, la gravure est effectuée par attaque de la couche diélectrique à travers un masque formé par une couche de résine photosensible. Le masque est réalisé par insolation de la résine en utilisant une machine de photolithographie, comme un répéteur sur tranche. La machine envoie un faisceau de rayonnement ultraviolet qui porte l'image des motifs à graver. Puis la résine est révélée pour éliminer les parties insolées et laisser apparaître les motifs. Pour augmenter la résolution de l'image enregistrée, un rayonnement d'insolation de très courte longueur d'onde (dans des dispositifs appelés DUV, initiales de Deep Ultra Violet , c'est-à-dire ultraviolet profond en terminologie anglo-saxonne) est appliqué en association avec une énergie la plus élevée possible. Un tel rayonnement est décrit par exemple de l'article du journal Semiconductor International de mars 1999, Intitulé Next Generation Lithography Tools : The Choices Narrow . Les équipements actuels utilisent des lasers excimères de longueur d'onde égale à 248nm, dans des dispositifs. Des dispositifs utilisant une longueur d'onde encore plus courte sont également connus. Ces dispositifs, appelés EUV (initiales de Extrem Ultra Violet , c'est-à-dire ultraviolet extrême en terminologie anglo-saxonne), mettent en oeuvre un rayonnement de longueur d'onde égale à 157 nm, proche des rayons X mous. Les EUV fonctionnent sous vide et utilisent comme source un jet supersonique de Xénon chauffé par un laser de type Nd : YAG, produisant des radiations d'énergie de l'ordre de 45 eV. Cette solution est complexe et coûteuse à mettre en oeuvre. Ce type de technologie définit la limite de ce qu'il est possible d'obtenir en optimisant les performances purement optiques. Alternativement, l'insolation peut être réalisée par lithographie électronique. Cette technique utilise un faisceau d'électrons, très focalisé, qui balaye la surface d'une résine électrosensible selon les formes et contours des motifs à reproduire. Afin de permettre une évacuation des charges accumulées sur la résine et provenant du faisceau d'électrons, une couche conductrice, par exemple de Sn02 ou de polyanilin, est déposée sous vide. Après insolation, et avant révélation de la résine, cette couche conductrice est dissoute sélectivement par réaction chimique. Cette solution est compliquée à mettre en oeuvre, et est coûteuse en temps. Elle est en fait plus particulièrement dédiée à l'insolation du réticule utilisée en photolithographie dans les photorépéteurs sur tranches, pour les DUVet les EUV. La gravure de la couche sous-jacente de diélectrique, à travers le masque, est ensuite réalisée classiquement par attaque ionique réactive, appelée RIE (initiales de Reactive Ion Etching, en dénomination anglo-saxonne). La RIE combine l'action d'ions monochargés accélérés et celle d'un gaz réactif, par exemple d'acide fluorhydrique, pour former des résidus sous forme de composés volatils éliminés par pompage. La gravure RIE présente comme inconvénients majeurs d'attaquer également la résine, En effet, les ions pénètrent la résine à cause d'une énergie cinétique importante, et la résine finit par s'éroder. Par ailleurs, les matériaux diélectriques pouvant convenir sont limités aux matériaux capables de former des complexes gazeux, interdisant par exemple la gravure du cuivre. De plus, la sélectivité de la gravure est fonction du matériau diélectrique, une couche de Si02 est gravée deux fois plus vite qu'une couche de nitrure de silicium Si3N4. Rappelons que la sélectivité est définie comme la vitesse de gravure de la couche sous-jacente rapportée à la vitesse de gravure de la résine. La sélectivité d'une résine du type électrosensible est de l'ordre de 15 par rapport à la gravure d'une couche de Si02. En fait, la RIE peut offrir les meilleures sélectivités des procédés de gravure connus, car il suffit de choisir les composés en fonction de la réaction chimique pour offrir une bonne sélectivité entre la couche sous-jacente et la couche de résine. Une certaine sélectivité peut également s'établir entre différentes couches sous-jacentes de nature différente. L'usinage ionique est une autre méthode de gravure qui utilise également des ions monochargés, mais encore plus fortement accélérés que les ions de gravure RIE. En absence de réaction chimique sélective, une telle méthode présente une sélectivité très faible, proche de l'unité. Cet Inconvénient ne permet pas d'utiliser l'usinage ionique à l'échelle industrielle. D'autres technologies de gravure se sont développées, basées sur l'utilisation de rayons X ou de faisceaux ioniques. Ces techniques combinent l'utilisation d'un réticule, servant de masque, et d'une optique de réduction pour former le flux d'insolation projeté sur la résine photosensible La présente invention relève de la lithographie couplée à la gravure ionique. Un but de l'invention est de réaliser une gravure à très haute sélectivité, de plusieurs centaines voire de plusieurs milliers, pouvant être appliquée à tout matériau diélectrique. Un autre but de l'invention est de réaliser une gravure de matériau diélectrique présentant un aspect ratio de valeur industriellement convenable, et compatible avec une résolution de type micromotif . L' aspect ratio est le rapport entre l'épaisseur de résine et la largeur du motif correspond. Pour un motif présentant en coupe une paroi verticale de largeur 0, 2um réalisé dans une résine de 1um d'épaisseur, l'aspect ratio de ce motif est de 5. Il est à remarquer qu'il est difficile d'obtenir une résolution élevée associée à un fort aspect ratio. L'industrie travaille, dans de bonnes conditions, avec un aspect ratio de l'ordre de 2 à 3, avec un maximum de 5. En fait, les trois paramètres, sélectivité, résolution et aspect ratio, sont liés. En effet, pour une couche sous-jacente d'épaisseur donnée, l'épaisseur minimale de résine est déterminée en fonction de sa sélectivité par rapport à la sous couche considérée. L'épaisseur de résine ainsi déterminée, la résolution se déduit de l'aspect ratio à appliquer. Mais le facteur clé parmi ces trois variables reste la sélectivité : en disposant d'une sélectivité suffisamment élevée, il est possible de se limiter à une fine épaisseur de résine sans craindre son érosion lors de la gravure, ce qui, pour un aspect ratio convenable, permet d'obtenir des dimensions critiques de type micromotif et donc une résolution élevée. Pour atteindre ces objectifs, l'invention propose de graver sélectivement par la mise en oeuvre d'une interaction active entre des ions multichargés et décélérés et la couche sous-jacente à graver, et de neutraliser sélectivement ces ions hors de l'interaction active. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de gravure d'une couche mince diélectrique déposée sur un substrat de semiconducteur, dans lequel une configuration des motifs à graver à travers un masque formé sur la couche diélectrique est réalisée par insolation par rayonnement ultraviolet, ultraviolet profond ou extrême, et révélation d'une résine photosensible constitutive du masque ; dans lequel une interaction sélective se produit entre des ions d'un faisceau d'ions positifs multichargés, décéléré jusqu'à présenter une énergie cinétique quasi nulle, et la couche diélectrique qui apparaît suite à la révélation, le faisceau présentant une densité prédéterminée au niveau de la zone d'interaction pour éjecter de cette couche des agglomérats de matière et y former des zones conformes aux motifs du masque, cette interaction se produisant quelle que soit la nature de la couche diélectrique, et dans lequel une absorption sélective par neutralisation élastique ou électronique se produit entre les ions du faisceau et le masque en regard de ces ions. Selon des conditions plus particulières de traitement du faisceau d'ions selon le procédé : - une sélection en charge, en densité, en vitesse et en direction est effectuée en couplage avec la source de production d'ions, de type ECR (initiales de Electron Cyclotron Resonance en dénomination anglo-saxonne) ; une source ECR peut produire des ions dont l'énergie cinétique est comprise entre 5 et 20 keV/q (q étant le nombre de charges par ion) par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts ; - 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, par exemple par spectromètre de masse ; - les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme choisie dans l'intervalle, au sens large, entre +4 à +14 ; - la densité des ions à l'approche du réticule est comprise entre 1012 et 1018 ions/cm2. s, de préférence entre 1014 et 1018 ions/cm2. s ; - la direction et la densité des ions sont contrôlées par des moyens de réglage de la source d'ions et de réglage des dimensions du faisceau par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique ; - une sélection fine des ions en direction, en vitesse et en parallélisme est réalisée respectivement par un scanner, 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, et par 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 distants de quelques dizaines de centimètres ; - la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de kilovolts. 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 micro-système : Si02, Si3N4, Ta205, Ti02, WO3. Ab03, NiO, etc. L'invention se rapporte également à des modes de mise en oeuvre du procédé par des masques particuliers. Selon un mode de réalisation, le masque utilisé est constitué uniquement par une couche mince de résine organique photosensible, la résine étant déposée avantageusement par centrifugation, spin-coating en langue anglaise. Le module d'élasticité de la résine est sensiblement supérieur à son module de rupture, afin de provoquer une neutralisation élastique des ions du faisceau en regard de la couche de résine par déformation de cette couche. Il est en effet possible de limiter rigoureusement le phénomène d'explosion colombienne, provoqué par l'interaction ions muttichargés-couche diétectnque, aux zones découpées dans la résine Avec un matériau présentant un module d'élasticité sensiblement supérieur au module de rupture, par exemple quelques centaines de fois supérieur comme dans le cas d'une résine organique, les forces n'extraient pas de grains de matière, car les liaisons ne se rompent pas, mais ne font que déformer élastiquement celles-ci. Cette spécificité des explosions colombiennes réservées à la couche diélectrique permet d'offrir une sélectivité comprise entre 100 et 500. La résine organique photosensible peut être une résine novalac , ou toute autre résine couramment utilisée en microélectronique. Selon un autre mode réalisation, le masque utilisé est formé d'une couche mince de résine photosensible revêtue d'une couche mince de matériau conducteur. La couche de matériau conducteur est déposée, de préférence par centrifugation, après insolation de la couche de résine photosensible. La résine est ensuite révélée par un révélateur qui passe à travers le matériau conducteur suffisamment poreux sans le dissoudre, les zones de la couche de matériau conducteur en regard des zones de résine dissoutes étant emportées avec ces dernières. La gravure par une interaction sélective se produit entre les ions multichargés décélérés et les zones de la couche diélectrique apparaissant suite à la révélation, et la neutralisation des ions en regard de la couche de matériau conducteur se produit par un apport de charges provenant du matériau conducteur. De manière préférée, la couche de matériau conducteur est un polymère organique conducteur de l'électricité, tel que du polyanilin. Dans ce cas, cette couche est avantageusement dissoute dans un solvant qui ne dissout pas la résine photosensible, afin d'obtenir une fine pellicule de polymère après élimination du solvant, pour augmenter la résolution et la porosité de cette couche conductrice. L'utilisation d'une couche conductrice permet d'atteindre des valeurs de sélectivité de mille à plusieurs milliers. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention se présenteront à la lumière des exemples de réalisation détaillés qui suivent, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, un exemple de gravure ionique selon l'invention avec un masque composé d'une résine photosensible ; et - les figure 2a à 2d, les différentes étapes d'un autre exemple de gravure ionique selon l'invention avec un masque comportant une couche de polyanilin. La figure 1 illustre, vue en coupe, la gravure ionique à réaliser sur la couche diélectrique de Si02 101 d'un substrat de silicium 100, la couche 101 étant recouvert d'une couche de résine photosensible 102 de type novalac . La résine est d'abord déposée sur la couche diélectrique selon la technique connue de spin-coating , puis Insolée par photolithographie DUV. La révélation élimine une partie de la résine 102 pour laisser apparaître les zones 111 en surface de la couche de diélectrique à graver 101 pour former les motifs, de dimensions identiques (par gravure symbolisée par des traits pointillés), en surface 110 du substrat 100. Les dimensions des motifs à graver et donc des zones correspondantes 111 sont très petites, pouvant aller presqu'à une dizaine de nanomètres. La gravure est réalisée par des interactions spécifiques, de type explosion colombienne, entre des ions Ar'+ 10, produits par une source ECR et fortement décélérés, pour atteindre une vitesse quasi-nulle à l'approche de la surface de la résine 102, et la couche diélectrique 101. Le faisceau d'ions est formé dans les conditions suivantes : - une sélection en charge, en densité, en vitesse et en direction est effectuée par des moyens électromagnétiques et par spectromètre de masse couplés à la source ECR qui génère des ions d'énergie cinétique environ égale à 10 keV/q par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts ; - la densité des ions à l'approche du réticule est d'environ 1014 tons/cm2. s ; - une sélection fine des ions en direction, en vitesse et en parallélisme est réalisée respectivement par des moyens de filtrage de type passe-bande à champ électrique, qui sélectionnent les ions en vitesse en fonction de leur énergie cinétique, et par 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 par une série de diaphragmes de diamètre millimétrique distants de quelques dizaines de centimètres ; - la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de kilovolts. L'explosion colombienne résulte de la combinaison de deux phénomènes créés par l'interaction ion muttichargé-couche diélectrique : - fragilisation des liaisons de surface, et - accumulation de charges électriques 11 induites qui génèrent des forces d'extraction. Cette combinaison entraîne l'éjection (symbolisée par des flèches) de grains de matière 12. Il s'agit d'un effet physique , aucune réaction avec un gaz chimique environnant n'ayant lieu. Une fois la couche diélectrique 101 creusée jusqu'à la surface du substrat 100 selon des zones 200 de dimensions correspondantes, les ions sont repoussés par effet trampoline : à l'approche de la surface 110 du semi-conducteur, ces ions capturent des électrons, ce qui crée des charges positives sur la surface qui repoussent lest ions. Les ions s'éloignent de la surface 110 après s'en être approché à environ 10 A . L'interaction des ions 10 avec la résine 102 génèrent l'apparition de charges induites 11 et donc des forces d'extraction. Ces forces provoquent alors un effet radicalement différent de l'explosion colombienne, car le module d'élasticité d'une résine organique, de type novalac au centre, présente une valeur de l'ordre de 50 MPa, soit environ 300 fois supérieure au module d'Young à la rupture. Le matériau se déforme notablement avant de rompre, alors que la silice, par exemple, casse avant de se déformer car elle présente un module d'Young à la rupture proche du module d'élasticité. Or l'intensité des forces d'extraction engendrées lors de l'interaction de la résine organique 102 avec les ions multichargés 10 n'est pas de nature à provoquer de telles ruptures, contrairement aux effets produits avec la silice, et ne vont engendrer que des déformations élastiques ponctuelles 103. L'intensité des forces en jeu est approximativement diminuée dans un rapport du même ordre de grandeur que le rapport du module d'Young à la rupture, c'est à dire de plusieurs centaines. Selon un autre exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention, tel qu'illustré par les figures 2a à 2d, le masque utilisé comporte une couche mince de matériau organique conducteur de l'électricité, en l'occurrence une couche de polyanilin 104, déposée sur une couche mince de résine photosensible 102, d'environ 0,2 à 0, 4 um d'épaisseur pour améliorer la résolution. Comme illustré en figure 2a, la couche de résine 102, déposée par centrifugation, est d'abord insolée par un rayonnement photolithographique 13 d'un photorépéteur sur tranche en DUV. Puis (figure 2b) la couche mince de polyanilin est déposée par centrifugation sur la couche de résine insolée. Pour diminuer encore son épaisseur, afin d'augmenter la résolution finale et sa porosité, cette couche est dissoute dans tout solvant adapté, connu de l'homme de l'art, et qui ne dissout pas la résine photosensible. Une fine pellicule de polymère, d'épaisseur de l'ordre de 10 à 30 nm, est obtenue après élimination du solvant. La partie insolée de la résine 102 est ensuite révélée (figure 2c) par le révélateur adapté à la résine, fourni par le fabricant de résine, et connu de l'homme de l'art, choisi pour passer au travers de la couche mince et poreuse de polyanilin 104, sans la dissoudre. Les parties de couche de matériau conducteur en regard des parties de résine dissoutes sont alors emportées avec celles-ci par tout procédé connu, par exemple par le procédé d'enlèvement connu sous la dénomination lift-off . Après retrait, apparaissent les zones 111 de la couche sous-jacente de la surface du diélectrique à graver 101. La gravure par une interaction ionique sélective (figure 2d) se produit entre les ions multichargés décélérés Ar"'10 et les zones 111 (apparaissant en traits pointillés) de la couche diélectrique 101 par explosion colombienne, jusqu'à atteindre la surface 110 du substrat 100. Les motifs 200 formés sur cette surface 110 correspondent en dimension aux parties de résine insolées. Les ions 10 qui approchent la surface de la couche de polyanilin 104 restante sont neutralisés électroniquement par un apport approprié de charges 114 provenant de cette couche conductrice, réservoir infini d'électrons. toute attaque qui se produit dans ce secteur est totalement négligeable. L'utilisation d'une couche organique conductrice de polyanilin permet d'atteindre des valeurs de sélectivité de plusieurs milliers. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. De nombreuses couches organiques conductrices, en général solubles à l'eau, peuvent être utilisées, par exemple des dérivés de polythiophène ou des polyanilines particuliers dopés avec des acides du type protoniques. Par ailleurs, toute couche conductrice peut être mise en oeuvre, par exemple une couche métallique déposée sous vide et suffisamment mince, de l'ordre d'une centaine d'angströms, pour la rendre poreuse au passage du révélateur de la résine photosensible. REVENDICATIONS 1. Procédé de gravure d'une couche mince diélectrique déposée sur un substrat de semi-conducteur (100), caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une configuration des motifs à graver (200) à travers un masque formé sur la couche diélectrique (101) par insolation par rayonnement ultraviolet, ultraviolet profond ou extrême (13) et révélation d'une résine photosensible (102) constitutive du masque, à produire une interaction sélective entre des ions (10) d'un faisceau d'ions positifs multichargés, décéléré jusqu'à présenter une énergie cinétique quasi nulle, et la couche diélectrique (101) qui apparaît suite à la révélation, le faisceau présentant une densité prédéterminée au niveau de la zone d'interaction pour éjecter de cette couche des agglomérats de matière (12) et y former des zones (111) conformes aux motifs du masque, cette interaction se produisant quelle que soit la nature de la couche diélectrique, et à absorber sélectivement par neutralisation élastique (103) ou électronique (114) qui se produit entre les ions du faisceau et le masque en regard de ces ions. 2. Procédé de gravure selon la revendication 1, dans lequel une sélection en charge, en densité, en vitesse et en direction est effectuée en couplage avec la source de production d'ions, de type ECR, qui produit des ions dont l'énergie cinétique est comprise entre 5 et 20 keV/q par application d'une tension d'extraction adaptée. 3. Procédé de gravure selon la revendication 2, 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 en fonction de leur rapport charge/masse, par exemple par spectromètre de masse. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme choisie dans l'intervalle, au sens large, entre +4 à +14, la densité des ions à l'approche du réticule est comprise entre 1012 et 1018 ions/cm2. s, de préférence entre 1014 et 1018 ions/cm2. s, et la direction et la densité des ions sont contrôlées par des moyens de réglage de la source d'ions et de réglage des dimensions du faisceau par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel une sélection fine des ions en direction, en vitesse et en parallélisme est réalisée respectivement par un scanner, 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, et par des moyens de collimation, qui sélectionnent les ions en direction par élimination des ions dont la vitesse latérale est supérieure à un certain seuil. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel les moyens de collimation sont constitués préférentiellement par une série de diaphragmes de diamètre millimétrique distants de quelques dizaines de centimètres, et la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de kilovolts. 7. Procédé de gravure selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le masque utilisé est constitué uniquement par une couche mince de résine organique photosensible (102), la résine étant déposée par centrifugation, et dans lequel le module d'élasticité de la résine (102) est sensiblement supérieur à son module de rupture, afin de provoquer une neutralisation élastique des ions du faisceau en regard de la couche de résine par déformation (103) de cette couche. 8. Procédé de gravure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le masque utilisé est formé d'une couche mince de résine photosensible (102) revêtue d'une couche mince de matériau conducteur (104), La couche de matériau conducteur étant déposée par centrifugation, après insolation de la couche de résine photosensible (102), dans lequel la résine est ensuite révélée par un révélateur qui passe à travers le matériau conducteur (104) suffisamment poreux sans le dissoudre, les zones de la couche de matériau conducteur en regard des zones de résine dissoutes étant emportées avec ces dernières, et dans lequel la gravure par une interaction sélective se produit entre les ions multichargés décélérés (10) et les zones (111) de la couche diélectrique apparaissant suite à la révélation, la neutralisation des ions (10) en regard de la couche de matériau conducteur (104) se produisant par un apport de charges (114) provenant du matériau conducteur (104). 9. Procédé de gravure selon la revendication 8, dans lequel la couche de matériau conducteur (104) est un polymère organique conducteur de l'électricité. 10. Procédé de gravure selon la revendication 9, dans lequel le polymère organique conducteur est du polyanilin. 11. Procédé de gravure selon la revendication 9, dans lequel la couche (104) est dissoute dans un solvant qui ne dissout pas la résine photosensible, afin d'obtenir une fine pellicule de polymère après élimination du solvant.