Brevet FR2828957A1 — publié le 20030228

PROCEDE DE MISE EN FORME D'UNE COUCHE MINCE ET DE FORMATION D'UNE PRISE DE CONTACT Domaine technique La présente invention concerne un procédé de mise en forme d'une couche mince et en particulier d'une couche diélectrique de passivation. De telles couches équipent généralement les composants intégrés à semi-conducteurs pour les protéger ou en isoler mutuellement des zones conductrices ou semiconductrices. On entend par"mise en forme"le fait de conférer à une couche un motif particulier, en la gravant localement, pour en éliminer des parties. Il s'agit, par exemple, de pratiquer des ouvertures dans une couche mince pour permettre un accès à une couche ou à un substrat sous-jacents. L'invention peut ainsi être mise à profit, par exemple, pour la réalisation de prises de contact, ou d'interconnexions électriques ou mécaniques sur des composants. De façon générale, l'invention trouve des applications dans les domaines de la microélectronique et de la micromécanique. Elle permet notamment- de traiter des substrats avec un fort relief. Etat de la technique antérieure. Les couches minces, et en particulier les couches minces de diélectriques, telles que les couches d'oxyde ou de nitrure de silicium, sont largement utilisées pour la réalisation de micro-systèmes mécaniques, ou de composants électroniques intégrés. A titre d'exemple, les substrats de type "silicium sur isolant" (SOI-Silicon On Insulator) comportent une couche mince d'oxyde de silicium enterrée sous une couche de silicium. Des couches d'oxyde ou de nitrure de silicium sont aussi formées fréquemment à la surface de composants ou de parties de composants intégrés, pour assurer leur isolation électrique et leur passivation. La mise en forme des couches minces peut avoir lieu selon différentes techniques de gravure qui visent à éliminer localement des parties de ces couches pour leur conférer la forme souhaitée. Les techniques de gravure sont généralement classées dans deux catégories principales qui comprennent, d'une part, les techniques de gravure par voie humide et d'autre part, les techniques de gravure par voie sèche. La gravure humide, par exemple dans une solution à base de HF, présente un caractère isotrope dans l'attaque du matériau des couches. La gravure sèche, par exemple par ions réactifs, est en revanche généralement anisotrope. Pour définir les régions dans lesquelles le matériau de la couche mince doit être gravé, et-les régions dans lesquelles il doit être préservé, on utilise communément des masques de gravure. Les parties de la couche mince protégée par le masque sont préservées, tandis que les parties où la couche est à nu, sont éliminées par l'effet des agents de gravure. Le matériau utilisé pour la fabrication des masques de gravure est généralement une résine photosensible ou analogue. La forme du masque est obtenue par insolation de la résine (positive ou négative) puis par son développement. L'insolation de la résine a lieu à travers un masque d'insolation. Il s'agit, par exemple, d'un masque de chrome sur verre. Avant l'insolation, la résine est étalée directement sur la couche mince que l'on souhaite mettre en forme. Ceci peut avoir lieu, de façon classique, par centrifugation. Le substrat portant la couche mince est disposé sur une centrifugeuse, encore appelée tournette . Une goutte de résine déposée sur la couche mince s'étale en un film sous l'effet de la rotation. Elle se fixe par évaporation d'un solvant. L'étalement de la résine sur les substrats peut présenter un certain nombre de difficultés qui se traduisent essentiellement par des inhomogénéités ou "comètes". Celles-ci nuisent à l'optimisation de l'insolation. On constate que l'un des facteurs contribuant fortement à la formation d'inhomogénéités est la hauteur du relief des substrats sur lesquels la résine est étalée. En particulier, la présence de protubérances ou d'arêtes se traduit par des défauts de couverture. Par ailleurs, un relief important fait que la résolution des motifs, notamment au fond de cavités, est détériorée. Ceci constitue un problème, par exemple pour la fabrication de composants MEMS, c'est-à-dire de microsystèmes électromécaniques ("Micro Electro Mechanical Systems"). Ces composants peuvent présenter des reliefs de l'ordre de quelques centaines de micromètres. Le document (1) dont les références sont précisées à la fin de la description, propose de déposer la résine par voie électrolytique pour réduire les inhomogénéités. Cette technique nécessite toutefois la formation d'une électrode et implique un investissement important pour garantir une reproductibilité satisfaisante du procédé. Une autre technique consiste à appliquer la résine par pulvérisation. Une résine suffisamment fluide est déposée sur le substrat en utilisant des buses, à l'instar des pistolets à peinture. L'homogénéité du dépôt s'en trouve globalement améliorée. Toutefois, le problème de la perte de résolution des motifs au fond des cavités, ainsi que celui de la couverture des arêtes ne sont pas résolus. Enfin, il est possible de remplacer le masque de résine par un masque sous la forme d'une plaque de silicium ou de métal, percée et collée sur la couche mince à traiter. Ces masques évitent en outre l'étape de photolithographie nécessaire à la mise en forme de la résine. Il s'avère cependant que ces masques sont inadaptés à la gravure des diélectriques par voie humide. De plus, un phénomène d'accumulation de charges électriques dans les couches diélectriques entrave l'utilisation des masques mécaniques pour la gravure par bombardement ionique. L'état de la technique est également illustré par le document (2) dont les références sont précisées à la fin de la présente description. Exposé de l'invention L'invention a pour but de proposer un procédé de mise en forme d'une couche mince ne présentant pas les difficultés et limitations évoquées ci-dessus. Un but est en particulier de proposer un procédé simple permettant de garantir une résolution satisfaisante pour la formation de motifs, indépendamment de la forme et de l'amplitude du relief du substrat supportant la couche à traiter. Un but est encore d'éliminer les difficultés liées à l'utilisation d'une résine, et en particulier à son étalement uniforme. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de mise en forme d'une couche mince comprenant les étapes successives suivantes : - le dépôt sur la couche mince d'une couche en un métal différent du matériau de la couche mince, susceptible d'être gravé par laser, - la gravure dans la couche de métal d'au moins une ouverture selon un motif coïncidant avec au moins une partie de la couche mince devant être éliminée, la gravure ayant lieu par soumission locale de la couche de métal à un faisceau laser, et - la gravure localisée de la couche mince sous-jacente, selon le motif, en utilisant la couche de métal comme masque de gravure. Il convient de préciser que le qualificatif de couche"mince"ne fait pas référence à une gamme d'épaisseurs particulière mais permet de distinguer les couches devant être mises en forme et les substrats ou plaques de support qui en sont garnies. Le dépôt conforme du métal de la couche de masque sur la couche mince peut être réalisé par pulvérisation. Cette technique permet d'éviter dans une large mesure les imperfections liées au dépôt d'une résine, telles que les comètes mentionnées dans la partie introductive. Eventuellement, une électrolyse, effectuée en pleine plaque sur le métal du masque, peut être prévue pour renforcer la protection de la couche sous-jacente en dehors des ouvertures. Comme indiqué ci-dessus, la couche de masque est en un métal susceptible d'être gravé par laser. Il s'agit, par exemple, d'une couche d'or, d'aluminium, de leurs alliages ou de ces mêmes couches associées à une couche d'adhérence par exemple en Cr, Ti, W,... ou de leurs alliages. L'épaisseur de la couche de masque est ajustée en fonction de la puissance du faisceau laser de façon que l'application du faisceau permette la vaporisation locale du métal. Pour conférer à la couche de masque le motif désiré que l'on souhaite transférer dans la couche sous-jacente, on peut effectuer un déplacement du point d'impact du faisceau sur la couche de masque. Le déplacement du point d'impact peut être classique, par exemple manuel, comme pour les tourelles de microscope. Il peut aussi être automatique comme pour les machines outils, avec pilotage par ordinateur. La directivité du faisceau laser évite la détérioration des motifs lorsque le relief du substrat traité présente des dépressions. Après achèvement des ouvertures dans la couche de métal, le motif de celles-ci est transféré dans la couche mince sous-jacente par gravure. La gravure de la couche mince sous-jacente a lieu à travers les ouvertures. Elle est sélective du matériau de la couche mince, de sorte que les parties encore recouvertes de la couche de métal sont préservées. L'invention, dans une application particulière, concerne également un procédé de formation d'une prise de contact électrique sur un substrat recouvert d'une couche mince. Selon ce procédé, on pratique localement une ouverture dans la couche mince et on forme une couche de contact. Celle-ci recouvre, au moins localement, la couche mince et vient en contact avec le substrat à travers l'ouverture. On pratique l'ouverture conformément au procédé de mise en forme décrit précédemment. La couche de métal, utilisée comme masque de gravure peut être retirée après la gravure, et notamment avant la mise en place de la couche de contact. Le procédé peut être appliqué à la formation d'une prise de contact sur un substrat SOI de type silicium sur isolant, comprenant une couche superficielle de silicium, une première couche mince isolante enterrée et une couche de support en silicium. Dans ce cas, on forme un puits à travers la couche de support pour mettre localement à nu la couche mince d'isolant. Puis, on dépose une deuxième couche d'isolant dans le puits, et on réalise une prise de contact sur la couche superficielle à travers le puits et les couches minces d'isolant, conformément au procédé indiqué ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures. - La figure 1 est une coupe schématique d'un substrat présentant une couche mince superficielle à mettre en forme. - Les figures 2 et 3 sont des coupes schématiques du substrat de la figure 1 illustrant la formation d'un masque de gravure. - La figure 4 est une coupe schématique du substrat illustrant une opération de gravure de la couche mince. - La figure 5 est une coupe schématique du substrat de la figure 4 après gravure et élimination du masque de gravure. - Les figures 6 et 7 sont des coupes schématiques de substrats mis en forme conformément à l'invention et illustrent des possibilités de réalisation de prises de contact. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention. Dans la description qui suit, des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures sont repérées avec les mêmes références numériques. Par ailleurs, pour des raisons de clarté, les différentes parties des figures ne sont pas représentées selon une échelle homogène. La figure 1 montre un substrat présentant à sa surface une couche mince devant être mise en forme. Il s'agit, par exemple, d'une couche mince d'oxyde de silicium 12 qui recouvre un substrat de silicium 10. Une telle couche constitue, par exemple, une isolation électrique ou une protection de passivation d'éventuels composants formés dans le substrat. La couche mince 12 peut être réalisée aussi en nitrure de silicium ou tout autre matériau isolant. La figure 2 montre le dépôt d'une couche d'or 14 sur la couche mince 12 d'oxyde de silicium. Il s'agit d'une couche servant à former un masque de gravure. Elle est désignée par"couche de masque". L'or est déposé, par exemple, par pulvérisation. Cette technique de dépôt des métaux, bien connue en soi, présente l'avantage d'un recouvrement uniforme et peu sensible au relief des substrats. La figure 3 montre l'usinage de la couche d'or 14 pour former le masque de gravure. L'usinage a lieu, conformément à l'invention au moyen d'un faisceau laser. Il s'agit en l'occurrence d'un faisceau émis par un laser de type Nd : YAG. Le faisceau est représenté symboliquement sur la figure 3 par des flèches 18. L'impact localisé du faisceau a pour effet de vaporiser le métal sur une surface circulaire de l'ordre de 30 um de diamètre. Les ouvertures pratiquées dans le métal sont repérées par la référence 20. Elles sont entourées d'une bordure de métal 21 formée sous l'effet du laser. Le déplacement du laser, piloté par commande numérique, permet de conférer à la couche de masque le motif que l'on souhaite transférer dans la couche mince sous-jacente. La mise en forme de la couche de masque, grâce au laser, ne présente pas de dégradation de résolution due au relief des substrats. La dimension minimale des motifs gravés et leur résolution est dictée pour l'essentiel par les paramètres de focalisation du laser. Le déplacement du point d'impact du laser sur la couche de métal est obtenu par un mouvement relatif entre le substrat et le laser, ou par déflexion contrôlée du faisceau. Dans l'exemple de la figure 3, le motif pratiqué dans la couche de masque 14 correspond à de simples ouvertures destinées à la formation de prises de contact sur le substrat. La figure 4 montre la gravure de la couche mince 12 à travers les ouvertures de la couche de masque 14. Dans le cas de l'exemple illustré, il s'agit d'une gravure humide dans une solution à base de HF. La gravure est sélective pour l'oxyde de silicium de la couche mince 12, par rapport au métal de la couche de masque 14 et par rapport au silicium du substrat 10. Ainsi, la couche de masque préserve la couche mince d'oxyde de silicium dans les régions qu'elle recouvre, et la gravure a lieu avec arrêt sur le substrat sousjacent 10. Il convient de préciser qu'en fonction du matériau de la couche mince, ou des couches sousjacentes, d'autres techniques de gravure, telles que les techniques de gravure par voie sèche, peuvent être également retenues. Par exemple une gravure anisotrope par ions réactifs est une alternative à la gravure chimique. Après la gravure, la couche de masque 14 peut être retirée par élimination sélective de l'or. On obtient la structure représentée à la figure 5. Eventuellement, une couche de métal de contact peut ensuite être déposée et mise en forme pour réaliser des prises de contact sur les régions du substrat mises à nu. La couche de métal de contact est indiquée en trait discontinu, avec la référence 22. Elle peut être mise à profit pour relier électriquement des parties du substrat 10 entre-elles, ou à d'autres composants non représentés. La figure 6 montre une application du procédé de l'invention à la réalisation d'un contact par la face arrière d'un substrat SOI. Les substrats SOI, silicium sur isolant, présentent une couche mince superficielle de silicium 13, séparée d'un substrat massif en silicium 10 par une couche enterrée 12 d'oxyde de silicium, de nitrure de silicium ou d'un autre matériau isolant. La face"arrière"est la face "libre"du substrat massif de support 10. La réalisation d'une prise de contact comprend la formation, dans le substrat 10, d'une ouverture qui s'étend jusqu'au voisinage de la couche mince de silicium 13. C'est en effet dans cette couche que sont généralement réalisés les composants et les circuits intégrés. Ainsi, une ouverture large 30 est d'abord gravée dans le silicium du substrat de support 10 jusqu'à atteindre la couche enterrée d'oxyde de silicium 12. La gravure, dans une solution de KOH a lieu avec arrêt sur l'oxyde de silicium. Une couche d'oxyde de silicium 32 ou d'un matériau isolant (nitrure, polyamide,... ou autre) est ensuite déposée sur la face arrière du substrat en tapissant l'intérieur de l'ouverture 30. La couche 32 assure une isolation électrique du support. Au fond de l'ouverture large 30, on met en forme de la couche de l'oxyde enterrée 12 de façon à y pratiquer un passage de contact 20. Le passage 20 est réalisé de la façon décrite en référence aux figures 1 à 5, à l'aide d'un masque non représenté. Finalement, une couche de métal de contact 22 est déposée sur l'oxyde de silicium de la face arrière et dans l'ouverture 30. La couche de métal 22 est aussi en contact électrique avec la couche mince superficielle de silicium 13, sur sa face tournée vers la couche d'oxyde enterrée. Comme le montre la figure 6, la couche de métal de contact 22 peut également être mise en forme. La figure 7 montre une variante du procédé de réalisation d'une prise de contact conforme à la figure 6 dans lequel l'ouverture 30 dans la couche de silicium massif de support 10 est réalisée par gravure anisotrope sèche, par ions réactifs (DRIE). DOCUMENTS CITES (1) US-A-5 004 672 (2) "A Plated Through-Hole Interconnect Technology in Silicon" de Maha A. S. Jaafar et Denice D. Denton J. Electrochem. Soc. Vol 144, No7 1997, pages 2491- 2495 REVENDICATIONS 1. Procédé de mise en forme d'une couche mince (12) comprenant les étapes successives suivantes : - le dépôt sur la couche mince d'une couche (14) en un métal différent du matériau de la couche mince, susceptible d'être gravé par laser, - la gravure dans la couche de métal d'au moins une ouverture (20) selon un motif coïncidant avec au moins une partie de la couche mince devant être éliminée, la gravure ayant lieu par soumission locale de la couche de métal à un faisceau laser (18), et - la gravure localisée de la couche mince sous-jacente, selon le motif, en utilisant la couche de métal (14) comme masque de gravure. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la gravure de la couche mince est une gravure humide. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la gravure de la couche mince est une gravure sèche. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la couche de métal (14) est réalisée en un métal choisi parmi Au, Al,..., leurs alliages et l'Au précédé d'une couche d'adhérence en Cr ou Ti ou W. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on effectue un déplacement du faisceau laser sur la couche de métal pour graver continûment au moins un motif. 6. Procédé de formation d'une prise de contact sur un substrat comprenant une couche mince, dans lequel on pratique localement une ouverture (20) dans la couche mince et dans lequel on forme une couche de contact (22) recouvrant, au moins localement, la couche mince et venant en contact avec ledit substrat à travers l'ouverture, caractérisé en ce que l'on pratique l'ouverture conformément au procédé de la revendication 1. 7. Procédé selon la revendication 6 comprenant en outre une mise en forme de la couche de contact. 8. Procédé de formation d'une prise de contact sur un substrat de type silicium sur isolant (SOI) comprenant une couche superficielle de silicium (13), une première couche mince d'isolant enterrée (12) et une couche de support (10), dans lequel on forme un puits (30) à travers la couche de support, pour mettre localement à nu la première couche mince d'isolant, dans lequel on dépose dans le puits une deuxième couche d'isolant (32), et dans lequel on forme une prise de contact sur la couche superficielle de silicium à travers les couches minces d'isolant mises à nu, conformément au procédé de la revendication 6.