Brevet FR2851370A1 — publié le 20040820

PROCEDE DE TRAITEMENT PAR FAISCEAU D'IONS FOCALISE ET DISPOSITIF SEMI- CONDUCTEUR CONVENANT POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention concerne un procédé de traitement par faisceau d'ions focalisé, d'un dispositif semi-conducteur réalisé à la surface d'un substrat de silicium-sur-isolant. Le traitement par faisceau d'ions focalisé ("Focused Ion Beam", ou FIB) 5 est bien connu pour la réalisation de puces de test, dans le domaine de la recherche et développement en microélectronique. Selon la nature de la formule gazeuse utilisée en combinaison avec le faisceau d'ions focalisé, un tel traitement permet de découper ou de déposer localement un matériau métallique ou un matériau diélectrique, dans un dispositif semiconducteur 10 réalisé à la surface d'un substrat. De telles découpes et de tels dépôts permettent en particulier la réparation du dispositif sans avoir à réaliser une nouvelle puce. Ceci permet de réduire le temps et le cot fabrication des dispositifs semi-conducteurs en phase de recherche et développement. De telles puces sont typiquement des parties d'une tranche ("Wafer"), 15 qui en général ne sont pas découpées, et ne sont pas mises en boîtier. Par conséquent, la masse électrique du dispositif semi-conducteur correspondant n'est pas reliée à la masse électrique d'un circuit intégré. Les ions doivent être évacués de la tranche. Dans le cas d'un dispositif réalisé directement sur un substrat de silicium dopé ("bulk"), les ions s'écoulent 20 à travers ledit substrat qui est généralement relié à la masse électrique de l'appareil de FIB. On dit que le substrat devient polarisé. Cependant, dans le cas d'un dispositif semi-conducteur réalisé à la surface d'un substrat de silicium-sur-isolant (en anglais "Silicium-Onlnsulator", ou SOI), la couche d'oxyde enterrée (en anglais "buried oxide", ou BOX) 25 empêche l'écoulement des ions vers le substrat. Par conséquent, le substrat n'est plus polarisé. Le dispositif présente deux masses électriques qui sont isolées l'une de l'autre: la masse du substrat et la masse du dispositif semiconducteur. Néanmoins, il arrive qu'il se produise une décharge électrostatique 30 (ESD, de l'anglais "electrostatic discharge") à travers certaines couches de matériaux formant le dispositif semi-conducteur. Si une telle décharge se produit à travers la couche BOX, cette couche peut-être détruite localement, selon un phénomène identique au claquage d'un condensateur. On perd ainsi localement l'avantage de l'isolation du dispositif semiconducteur par rapport au substrat, mais ceci est un inconvénient limité. Un inconvénient beaucoup plus 5 important se rencontre lorsque la décharge électrostatique se produit à travers la grille d'un transistor MOS du dispositif. En effet, la grille étant alors claquée, le transistor MOS est détruit ce qui peut affecter le fonctionnement du dispositif. On pourrait penser à créer, lors de la fabrication du dispositif, un chemin de polarisation du substrat à travers la couche d'oxyde enterrée, pour 10 permettre l'écoulement des ions vers le substrat, lors du traitement par FIB. Ceci n'est toutefois pas possible car les procédés de fabrication actuellement disponibles dans le domaine de la micro-électronique ne prévoient pas de masque pour la couche d'oxyde enterrée. Un but de l'invention est de résoudre les problèmes de l'art antérieur 15 précités. Ce but est atteint en faisant claquer a posteriori (c'est-àdire après la fabrication du dispositif) la couche BOX au dessous d'une structure électriquement isolée du reste du circuit, de manière à ouvrir un chemin de polarisation du substrat à travers ladite structure. Il suffit ensuite de relier à ce chemin de polarisation la masse électrique (flottante) du dispositif semi20 conducteur à traiter par FIB pour que les ions s'écoulent vers le substrat lors de ce traitement. Ainsi, un premier aspect de l'invention concerne un procédé de traitement par faisceau d'ions focalisé, d'un dispositif semi-conducteur réalisé à la surface d'un substrat de SOI et comprenant une structure d'interconnexion 25 ayant une première ligne métallique déterminée qui est électriquement reliée à la masse électrique du dispositif semi- conducteur. Le procédé comprend les étapes consistant à: a) faire claquer la couche d'isolant du substrat au dessous d'une zone active d'une structure électriquement isolée du reste du dispositif semi30 conducteur et reliant électriquement ladite zone active et une seconde ligne métallique déterminée, en soumettant ladite seconde ligne métallique à un faisceau d'ions focalisé jusqu'au claquage de ladite couche d'isolant; b) créer une liaison électrique entre la première ligne métallique et la seconde ligne métallique; c) traiter le dispositif semi-conducteur par FIB; d) ouvrir la liaison électrique entre la première ligne métallique et la seconde ligne métallique. Un second aspect de l'invention concerne un dispositif semiconducteur réalisé à la surface d'un substrat de SOI, convenant pour la mise en oeuvre du procédé selon le premier aspect. Il s'agit par exemple d'une puce de test, notamment en phase de recherche et développement. Ce dispositif 10 comprend: - au moins une zone active et une structure d'interconnexion ayant une première ligne métallique déterminée qui est électriquement reliée à la masse électrique du dispositif semi-conducteur; et, en outre, - une structure électriquement isolée du reste du dispositif semi15 conducteur, qui comprend une zone active recouvrant la couche d'isolant du substrat et une structure d'interconnexion reliée à ladite zone active et ayant une seconde ligne métallique déterminée. La distance minimum (suivant une direction parallèle à la surface du substrat) entre la zone active de la structure isolée et n'importe quelle autre 20 zone active du reste du dispositif, est supérieure à l'épaisseur (suivant une direction perpendiculaire à la surface du substrat) de la couche d'isolant du substrat. En outre, la distance minimum (suivant une direction parallèle à la surface du substrat), entre les éléments de la structure d'interconnexion de la structure isolée et les éléments de la structure d'interconnexion du reste du 25 dispositif, est supérieure à l'épaisseur de la couche d'isolant du substrat (suivant la direction perpendiculaire à la surface du substrat). De cette façon, on garantit le claquage de la couche d'isolant du substrat avant le claquage d'une autre portion d'isolant entourant la structure isolée, lorsque le procédé selon le premier aspect est mis en oeuvre. De préférence, la première ligne métallique et la seconde ligne métallique appartiennent au niveau de métallisation du dispositif semiconducteur qui est le plus éloigné du substrat. Il est ainsi plus facile de créer une liaison électrique entre elles par dépôt d'un pont de métal. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 6 sont des vues partielles en coupe d'un dispositif semiconducteur à différentes étapes d'un procédé selon l'invention. Sur les dessins, les mêmes éléments portent des références identiques. On considère l'exemple d'une technologie dans laquelle les interconnexions sont réalisées sur six niveaux de métallisation superposés, respectivement Ml à M6, selon la technique Damascène ou la technique 10 double Damascène. De plus, le niveau de métallisation M6, qui est le plus éloigné du substrat 10, est recouvert d'une couche isolante, dite couche de passivation. Par ailleurs, on considère l'exemple de traitements par FIB au moyen d'ions positifs, tels que des atomes d'argon (Ar) ionisés positivement. A la figure 1 on a représenté une vue partielle en coupe d'un dispositif semi-conducteur 20 au début du procédé selon l'invention. On suppose qu'un tel dispositif a préalablement été fabriqué selon les techniques classiques de la micro-électronique. Le dispositif 20 est réalisé à la surface d'un substrat 10 qui est un 20 substrat de SOI comprenant une couche 11 d'un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium faiblement dopé, recouvert d'une fine couche d'oxyde enterrée, par exemple du dioxyde de silicium (SiO2). L'épaisseur e de la couche 11, est par exemple de l'ordre de 500 pm (10-6 mètres), et l'épaisseur de la couche 12 est par exemple de l'ordre de 500 nm (109mètres). Ces 25 épaisseurs sont considérées suivant une direction perpendiculaire à la surface du substrat. Un tel substrat de SOI est disponible, par exemple, auprès de la société SOITEC. Un dispositif semi-conducteur 20 quelconque est réalisé à la surface du substrat 10. Ce dispositif comprend une ou plusieurs zone(s) active(s) et une 30 structure d'interconnexion. Par zone active, on entend au sens de la présente invention, une zone de matériau non isolant, n'appartenant pas à la structure d'interconnexion. Typiquement, il s'agit d'une zone de silicium dopé N ou P, pouvant entrer dans la constitution de composants tels que des transistors MOS ou similaires. Aux figures, seule une partie du dispositif 20 est représentée, notamment deux lignes métalliques 21 et 22 réalisées dans les niveaux de 5 métallisation respectivement M5 et M6 de sa structure d'interconnexion. On suppose que ces lignes, qui sont reliées ensemble par une interconnexion verticale (via) sont reliées à la masse GND2 du dispositif 20. On notera que les lignes 21 et 22 sont entourées d'un matériau diélectrique, par exemple du SiO2, et que la ligne 22 est également recouverte d'une fine couche de matériau 10 diélectrique, par exemple du SiO2 ou du nitrure de silicium (Si3O4) jouant le rôle de couche de passivation. Selon l'invention, le dispositif 20 comprend en outre une structure isolée 30. Par structure isolée, on entend une structure électriquement isolée du reste du dispositif 20. Cette structure a pour fonction, après traitement par 15 FIB, de former un chemin conducteur, dit chemin de polarisation du substrat 10, pour l'évacuation des ions lors d'un traitement par FIB du reste du dispositif. La structure isolée 30 comprend une zone active 31 s'étendant à la surface du substrat 10, par-dessus (de préférence recouvrant) la couche 20 d'isolant 12, en étant par ailleurs entourée d'un isolant 32 ("Shallow Trench Insulator" ou STI). L'épaisseur de la zone active 31 et de l'isolant 32 est par exemple sensiblement égale à 140 nm. La zone 31 est obtenue par dépôt selon les techniques de dépôt sur substrat de SOI. Elle peut être en silicium dopé positivement, par exemple avec des atomes de bore. La zone active 31 25 peut aussi être en silicium dopé négativement, par exemple avec des atomes de phosphore. En fait, il est avantageux qu'elle soit dopée positivement lorsque les ions du faisceau d'ions focalisé qui est utilisé pour le traitement sont des ions positifs (comme dans l'exemple considéré ici), et qu'elle soit dopée négativement lorsque ces ions sont négatifs. Ceci permet de faciliter le 30 claquage de la couche d'isolant 12 (voir plus loin). Avantageusement, la distance Y entre la zone active 31 et les autres zones actives du dispositif 20 (non représentées), considérée suivant une direction parallèle à la surface du substrat 10, est supérieure à l'épaisseur e de la couche d'oxyde 12. De cette façon, le claquage de la couche 12 intervient avant celui de l'isolant 32. La structure isolée 30 comprend en outre une structure d'interconnexion 33 qui comprend une ligne métallique 34 dans le niveau de 5 métallisation M6. La structure 33 forme un chemin conducteur entre la zone active 31 et s'étendant, en étant isolée du reste du dispositif comme étant entourée de matériau diélectrique. L'exemple le plus simple pour la structure 33 est empilement de métal formant une colonne de lignes et de vias superposés de manière alternée. Pour chacun des niveaux de métallisation MI 10 à M6, la structure d'interconnexion 33 comprend ainsi une portion de ligne (connexion horizontale) telle que la ligne 34, et un via (connexion verticale), ces lignes et ces vias étant représentés de façon classique aux figures. Initialement (c'est-à-dire après la fabrication du dispositif mais avant son traitement par FIB), la structure isolée 30 forme un simple chemin 15 conducteur entre la zone active 31 et la ligne métallique 34. Elle peut être fabriquée en même temps que le reste du dispositif 20. En particulier, la structure d'interconnexion 33 peut résulter des étapes de photolithographie et de dépôt mises en oeuvre pour réaliser la structure d'interconnexion du reste du circuit (comprenant notamment les lignes 21 et 22). La structure isolée 20 n'implique donc pas de surcot prohibitif. La surface de la zone active 31 détermine la valeur d'un condensateur CBOX équivalent, entre la zone active 31 et la couche 11 séparées par la couche d'isolant 12. Plus L est grand et plus la valeur de CBOX est grande. Afin de faciliter le claquage du condensateur CBOX (voir plus loin), les dimensions de 25 la zone active 31 suivant une direction parallèle à la surface du substrat sont les plus petites possibles. La zone active 31 est par exemple un carré de coté L. En pratique, la valeur de L est limitée par les règles de dessin de la technologie utilisée. Actuellement, ces règles permettent de descendre jusqu'à L=0,13 pm au minimum. De préférence, L n'est pas supérieur à une longueur 30 maximum que l'on peut fixer à 10 fois la valeur minimum ci-dessus, c'est-à-dire à 1,3 pm. Typiquement, L est sensiblement égale à 1 pm. La figure 1 illustre en outre une étape de traitement par FIB de la portion de la couche de passivation au droit de la ligne métallique 34. Ce traitement a lieu au travers d'un masque de dépassivation 40 comprenant une fenêtre au droit de la portion de ligne 34. Il a pour but le retrait de la couche de passivation au niveau de ladite fenêtre, de manière à exposer la ligne métallique 34, au moins en partie. Les ions utilisés ne peuvent s'écouler dans 5 le substrat 10, en raison de la couche d'oxyde enterrée 12. C'est pourquoi, ces ions chargent la zone active 31, en fait le condensateur CBOX. S'agissant d'ions positifs dans l'exemple, ils sont représentés aux figures par des signes "+" dans les différents éléments de la structure isolée. Lorsque toute l'épaisseur de la couche de passivation est éliminée, on 10 obtient la configuration représentée schématiquement à la figure 2. En continuant le traitement par FIB (ou en appliquant un autre traitement par FIB, mais de préférence avec des ions de même polarité), avec ou sans le masque de dépassivation 40, on continue d'augmenter la charge de la zone active 31. De préférence, la polarité (c'est-à-dire le signe positif ou négatif) des 15 ions du traitement par FIB est identique à la polarité du dopage de la zone active de la structure isolée (par polarité du dopage, on entend une polarité positive pour un dopage P, et une polarité négative pour un dopage N). La charge de la zone active 31 augmente au point que la tension aux bornes du condensateur CBOX dépasse la tension de claquage de ce 20 condensateur. La couche d'isolant 12 est alors détruite localement, au dessous de la zone active 31. Ce claquage est symbolisé sur la figure 2 par une flèche 70. Une flèche similaire est aussi représentée sur le symbole du condensateur CBOX visible en bas à droite de la figure 2. Les ions s'écoulent alors de la zone active 31 vers la couche 11 du 25 substrat 10. On dit alors que le substrat 10 est polarisé. En fonctionnement, la couche 11 du substrat 10 est reliée à la masse GND1 de l'équipement utilisé pour réaliser le traitement par FIB. Les ions s'écoulent donc vers la masse GND1. Dans cet état, la structure isolée 30 forme un chemin d'écoulement des 30 ions de la ligne métallique 34 vers la couche 11 du substrat 10, ou chemin de polarisation du substrat 10. On notera que la distance X entre les lignes métalliques 22 et 34 et plus généralement la distance minimum entre les éléments de la structure d'interconnexion 33 et ceux de la structure d'interconnexion du reste du circuit, considérée suivant une direction parallèle à la surface du substrat 10, est de préférence supérieure à l'épaisseur e de la couche d'isolant 12. De même, la distance Y, considérée suivant une direction parallèle à la surface du substrat 5 10 entre la zone active 31 et toute autre zone active du dispositif est supérieure à l'épaisseur e. Ainsi, le claquage de l'isolant qui entoure la structure isolée 30 se produit bien au niveau de la couche 12 et non ailleurs. De préférence, les distances X et Y précitées ne sont pas inférieures à 1 pm. Le schéma de la figure 3 illustre une étape de traitement par FIB 10 destinée à éliminer la couche de passivation au dessus de la ligne métallique 22 appartenant au reste du dispositif 20. Cette étape peut aussi être réalisée grâce à un traitement par FIB à travers un masque de dépassivation 50 comprenant une fenêtre appropriée. Avantageusement, cette fenêtre expose non seulement la couche de passivation au dessus d'une partie au moins de la 15 ligne métallique 22, mais également au moins une partie exposée de la ligne métallique 34 de la structure isolée 30. De cette manière, les ions peuvent s'écouler vers le substrat 10 via le chemin de polarisation ouvert à travers la structure isolée 30 et la couche d'oxyde enterrée 12. Ainsi, le reste du dispositif ne risque pas d'être endommagé par ce traitement par FIB. Lorsque toute l'épaisseur de la couche de passivation a été retirée, on obtient la structure illustrée à la figure 4. Dans une étape suivante, on réalise une interconnexion entre les lignes métalliques 34 et 22, en déposant un pont métallique, par exemple en platine (ou encore en aluminium, en tungstène, en cuivre, etc.), entre les 25 parties exposées de ces deux lignes. On obtient ainsi la configuration représentée à la figure 5. Ainsi, la masse GND1 du substrat 10 est reliée électriquement à la masse GND2 du dispositif 20. Cette liaison électrique est illustrée schématiquement en bas à droite de la figure 5. Stricto sensu, on ne peut plus 30 dire alors que la structure 30 est isolée du reste du circuit 20. Cette étape de dépôt peut par exemple être réalisée par CVD ("Chemical Vapor Deposition"). Toutefois, il est préférable qu'elle soit réalisée par un traitement par FIB adapté, puisque la tranche se trouve déjà positionnée dans l'appareil de FIB. De préférence, la distance X, suivant une direction parallèle à la surface du substrat, entre les parties exposées des lignes 22 et 34 n'est pas supérieure à 5 pm. De cette manière, on limite la quantité de métal à déposer. Le pont métallique 60 étant présent, on peut procéder à l'étape (non représentée) de traitement du dispositif 20 par FIB selon les besoins de l'application. Pendant ce traitement, les ions peuvent s'écouler vers la masse GND1 du substrat à travers le pont métallique 60 et le chemin de polarisation du substrat 10 comprenant la structure 30, au lieu de s'accumuler au niveau de 10 la masse GND2 du dispositif 20. Ainsi, on évite tout risque de destruction ou d'endommagement du dispositif 20. De préférence, on termine par une étape d'ouverture de la liaison électrique entre les lignes 22 et 34. Cette étape permet de rétablir l'isolation du reste du dispositif 20 par rapport à la couche 11 du substrat. A défaut de cette 15 étape, l'avantage de l'utilisation d'un substrat de SOI serait perdu. Cette ouverture est obtenue en éliminant une partie au moins du pont métallique 60 de manière qu'il ne reste plus que deux contacts 61 et 62, au dessus respectivement de la ligne métallique 34 et de la ligne métallique 22, et isolés électriquement l'un de l'autre, en sorte d'obtenir la structure de la figure 20 6. Ce retrait peut être obtenu grâce à un nouveau traitement par FIB au travers d'un masque approprié. Bien entendu, on peut également retirer la totalité du pont conducteur 60 afin de revenir à la structure de la figure 4. L'ouverture de la liaison électrique entre les lignes métallique 34 et 22 rétablit la séparation entre la masse GND1 du substrat 10 et la masse GND2 25 du dispositif 20. Cette séparation est illustrée schématiquement en bas à droite de la figure 6. En ce sens, on peut à nouveau dire que la structure 30 est isolée du reste du circuit 20. L'invention a été décrite ci-dessus dans un mode de réalisation préféré mais non limitatif. En particulier, les étapes de retrait de la couche de 30 passivation illustrée par les figures 1 et 3, et l'étape d'ouverture du pont métallique 60 sont ici avantageusement prévues sous la forme d'un traitement par FIB parce que la tranche se trouve déjà positionnée dans l'appareil de FIB. Néanmoins, toute autre procédé de retrait connu est envisageable, par 2851370 10 exemple: gravure sèche, gravure humide, CMP ("Chemical Mechanical Polishing"), etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement par faisceau d'ions focalisé, d'un dispositif semi-conducteur (20) réalisé à la surface d'un substrat de silicium-surisolant (10) et comprenant une structure d'interconnexion ayant une première ligne métallique déterminée (22) qui est électriquement reliée à la masse électrique du dispositif semi-conducteur, comprenant les étapes consistant à a) faire claquer la couche d'isolant (12) du substrat au dessous d'une zone active (31) d'une structure (30) électriquement isolée du reste du dispositif semi-conducteur et reliant électriquement ladite zone active et une 10 seconde ligne métallique déterminée (34), en soumettant ladite seconde ligne métallique à un faisceau d'ions focalisé jusqu'au claquage de ladite couche d'isolant; b) créer une liaison électrique (60) entre la première ligne métallique et la seconde ligne métallique; c) traiter le dispositif semi-conducteur par faisceau d'ions focalisé; d) ouvrir la liaison électrique entre la première ligne métallique et la seconde ligne métallique. 2. Procédé selon la revendication 1, suivant lequel, à l'étape a), la 20 polarité des ions est identique à la polarité du dopage de la zone active. 3. Procédé selon la revendication 1 ou selon la revendication 2, suivant lequel, à l'étape b), la liaison électrique est créée par dépôt d'un pont métallique (60) entre la première ligne métallique et la seconde ligne 25 métallique, grâce à un traitement par faisceau d'ions focalisé adapté. 4. Procédé selon la revendication 3, suivant lequel, à l'étape d), la liaison électrique est ouverte par retrait d'une partie au moins du pont métallique déposé à l'étape b), grâce à un traitement par faisceau d'ions focalisé adapté. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 5 suivant lequel, avant l'étape a), la seconde ligne métallique est exposée par retrait d'une couche de passivation, grâce à un traitement par faisceau d'ions focalisé adapté. 6. Procédé selon la revendication 5, suivant lequel, avant l'étape b), la 10 première ligne métallique est exposée par retrait d'une couche de passivation, grâce à un traitement par faisceau d'ions focalisé adapté, au travers d'un masque (50) ayant une fenêtre de dépassivation exposant la seconde ligne métallique exposée. 7. Dispositif semi-conducteur (20) réalisé à la surface d'un substrat de silicium-sur-isolant (10) et comprenant: - au moins une zone active et une structure d'interconnexion ayant une première ligne métallique déterminée (22) qui est électriquement reliée à la masse électrique du dispositif semi-conducteur; et, en outre, - une structure (30) électriquement isolée du reste du dispositif semiconducteur, qui comprend une zone active (31) recouvrant la couche d'isolant (12) du substrat et une structure d'interconnexion (33) reliée à ladite zone active et ayant une seconde ligne métallique déterminée (34) ; dans lequel la distance minimum (Y), suivant une direction parallèle à 25 la surface du substrat, entre la zone active de la structure isolée et n'importe quelle autre zone active du reste du dispositif, est supérieure à l'épaisseur (e) de la couche d'isolant (12) du substrat suivant une direction perpendiculaire à la surface du substrat; et, dans lequel la distance minimum (X), suivant une direction parallèle à 30 la surface du substrat, entre les éléments de la structure d'interconnexion de la structure isolée et les éléments de la structure d'interconnexion du reste du dispositif, est supérieure à l'épaisseur (e) de la couche d'isolant (12) du substrat suivant la direction perpendiculaire à la surface du substrat. 8. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 7, suivant lequel la première ligne métallique et la seconde ligne métallique appartiennent au niveau de métallisation (M6) du dispositif semi-conducteur qui est le plus éloigné du substrat. 9. Dispositif semi-conducteur selon la revendication 7 ou la revendication 8, suivant lequel la distance (X), suivant une direction parallèle à la surface du substrat, entre la première ligne métallique et la seconde ligne métallique n'est pas supérieure à 5 pm. 10. Dispositif semi-conducteur selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, suivant lequel les dimensions, suivant une direction parallèle à la surface du substrat, de la zone active (31) de la structure isolée (30) ne sont pas supérieures à 1,3 pm.