Brevet FR2894066A1 — publié le 20070601

Procédé de fabrication d'un condensateur de type tranchée et condensateur correspondant La présente invention concerne les circuits intégrés et plus 5 particulièrement les condensateurs du type tranchée réalisés dans ces circuits intégrés. L'invention s'applique avantageusement, mais non limitativement, aux mémoires DRAM dont les valeurs de bit sont mémorisées grâce aux charges stockées dans les condensateurs. 10 L'augmentation des capacités de mémoire et la diminution de la taille des circuits poussent à réaliser des condensateurs de plus en plus petits. Toutefois, les électrodes ne doivent pas devenir trop petites car la charge stockée, proportionnelle à la surface des électrodes, peut devenir trop faible pour être lue correctement. Pour diminuer 15 l'encombrement des condensateurs sans diminuer la capacité, une solution retenue est de réaliser les condensateurs en tranchée. Les condensateurs en tranchée ont des électrodes formées dans l'épaisseur du substrat semi-conducteur, dans une tranchée généralement perpendiculaire à la surface du substrat. Les tranchées sont alors 20 réalisées avec une profondeur de plus en plus importante pour une section de plus en plus réduite. Dans le but d'augmenter encore la valeur capacitive des condensateurs en tranchée, il a été proposé de disposer sur les parois de la tranchée des grains hémisphériques de silicium. Grâce aux 25 grains, les parois de la tranchée sont rugueuses et présentent donc une surface plus grande par rapport à une paroi lisse. La surface des électrodes déposées dans la tranchée et par conséquent la valeur capacitive du condensateur, augmentent sans augmentation de l'encombrement surfacique sur le substrat semi-conducteur. Toutefois, 30 la réalisation et le dépôt régulier des grains hémisphériques le long de la paroi de la tranchée ajoutent des étapes technologiques supplémentaires délicates. L'invention vise à apporter une solution à ce problème. L'invention a notamment pour but d'augmenter, de façon particulièrement simple, la surface des électrodes d'un condensateur de type tranchée sans augmenter l'encombrement surfacique sur un substrat semi-conducteur. Un autre but de l'invention est d'optimiser la réalisation de la 5 tranchée pour obtenir un gain de surface encore plus important par rapport à une tranchée aux parois lisses. Selon un aspect de l'invention, il est proposé un procédé de fabrication de condensateurs de type tranchée ayant au moins une tranchée, dans une plaquette d'un matériau semi-conducteur. Le 10 procédé comprend une phase de réalisation de tranchées et une phase de formation des éléments du condensateur dans la tranchée correspondante. La phase de réalisation d'au moins une tranchée comprend une succession de cycles qui comprennent chacun une gravure plasma et une passivation par plasma. La phase de formation 15 des éléments du condensateur dans ladite tranchée comprend un dépôt conforme sur les parois de la tranchée. Un procédé consistant à répéter un cycle comprenant une phase de gravure suivie d'une phase de passivation est déjà décrit dans l'article Chen et al. intitulé Effect of process parameters on the 20 surface morphology and mechanical performance of silicon structures after deep reactive ion etching (DRIE) et paru dans Journal of Microelectromechanical Systems, le volume 11, n 3, de juin 2002. Toutefois le procédé, connu sous le nom de procédé Bosch, est utilisé pour réaliser des cavités pour des systèmes micro-électromécaniques 25 (MEMS) mais pas pour réaliser des condensateurs en tranchée. En effet les aspérités apparaissant sur les parois des cavités obtenues par le procédé Bosch entraînent des défauts lors de la réalisation des électrodes à l'intérieur de la cavité. Ces défauts peuvent diminuer la qualité du condensateur en créant par exemple des vides entre les 30 électrodes et la paroi de la tranchée suite à un mauvais remplissage. L'invention remédie à ces inconvénients par l'utilisation, pour la réalisation des électrodes dans la cavité, d'un dépôt conforme sur les parois de la tranchée. En particulier, l'invention utilise le dépôt par couches atomiques (ALD) qui permet d'obtenir une excellente conformité. La combinaison de la réalisation cyclique des tranchées par gravure et passivation avec une réalisation des électrodes à l'intérieur desdites tranchées par dépôt conforme permet donc d'obtenir de manière simple un condensateur de surface et de valeur capacitive accrues par rapport aux condensateurs en tranchée actuels. L'utilisation de cycle de gravure et de passivation, tels que ceux utilisés dans le procédé Bosch, permet d'obtenir un gain surfacique de l'ordre de 30% par rapport à une gravure droite classique sur une même hauteur de tranchée, par exemple 1 m. De plus, alors que le procédé Bosch utilise des temps de gravure compris entre 3 et 5 secondes associés à des temps de passivation compris entre 1 et 2 secondes, les inventeurs ont observé que le gain de surface obtenu est plus important lorsqu'on modifie radicalement les paramètres habituels du procédé Bosch. Ainsi, la seule modification du temps de gravure permet déjà d'obtenir un gain de surface. Plus précisément, on choisira avantageusement un temps de gravure compris entre 1 et 3 secondes, de préférence égal à 2 secondes. Le gain de surface est encore accentué lorsque le temps de passivation est compris entre 2 et 4 secondes, de préférence est égal à 3 secondes. La mise en oeuvre d'une telle réalisation optimisée des tranchées combinée à un dépôt conforme, permet d'obtenir de manière simple un gain de surface important. En d'autres termes, les durées de gravure et de passivation sont avantageusement choisies de façon à obtenir des encoches petites mais nombreuses qui permettent d'obtenir un gain de surface élevé par rapport à une tranchée lisse. L'invention s'applique plus particulièrement pour des substrats semi-conducteurs dont l'encombrement surfacique des condensateurs représente moins de 70% de la surface du substrat. Les gaz utilisés lors des étapes de formation de la tranchée et les modes opératoires associés sont choisis aussi pour optimiser la formation des encoches à la surface des parois. Ainsi, pour la phase de gravure, le plasma choisi comprend par exemple de l'hexafluorure de soufre (SF6) et éventuellement du bromure d'hydrogène (HBr). Pour la phase de passivation, le plasma choisi comprend par exemple de l'octafluorocyclobutane (C4F8). Les paramètres de pression et de puissance sont également avantageusement modifiés par rapport à ceux habituellement utilisés dans le procédé Bosch, pour contribuer également à l'obtention d'un gain surfacique plus élevé. Ainsi la pression du plasma pour les deux étapes est comprise avantageusement entre 20 et 80 mTorr, de préférence est sensiblement égale à 40 mTorr. Quant à la puissance utilisée pour former le plasma, elle est comprise entre 1000W et 2000W, de préférence est sensiblement égale à 1500W. L'ensemble de ces conditions opératoires permet ainsi d'obtenir un gain surfacique de l'ordre de 50% par rapport à une gravure droite classique sur une même hauteur de tranchée, par exemple 1 m. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un circuit intégré comprenant un condensateur comportant au moins une tranchée ayant un profil comprenant une succession d'encoches tournant leur concavité vers l'intérieur du condensateur. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 8 illustrent de manière schématique les principales étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, ainsi que des modes de réalisation d'un condensateur selon l'invention. La figure 1 illustre une plaquette 1 d'un matériau semi-conducteur tel que le silicium. La plaquette 1 est recouverte par un masque dur 2. Le masque dur peut composé de silice (SiO2), de nitrure de silicium (SiN) ou bien d'alumine (Al203). Un retrait 3 est effectué dans le masque dur 2. Le retrait 3 peut être effectuée de manière classique par dépôt d'une couche de résine qui est insolée puis révélée. Le masque dur 2 est alors gravé, par exemple par gravure plasma, puis la résine est éliminée. Le retrait 3 est effectué ici par exemple sur une largeur de l'ordre de 1,2 m et permet de délimiter le lieu de réalisation de la tranchée. Le matériau semi-conducteur 1 est alors gravé à l'aide d'un plasma fluoré de manière à obtenir une gravure isotrope. La gravure isotrope permet de graver aussi bien le fond de la tranchée que les parois, la tranchée obtenue ayant une forme plus sphérique. La gravure est effectuée avec un plasma comprenant un mélange de SF6 et HBr et pendant une durée d'environ 2 secondes. On obtient alors une première portion de tranchée 4 (figure 2). La première portion présente une profondeur d'environ 0.30 m et, grâce à l'utilisation du gaz fluoré, présente une largeur supérieure à la largeur du retrait de résine 3. La largeur de la portion est de l'ordre de 1,6 m. On effectue ensuite une étape de passivation (figure 3). La passivation a pour but de réaliser sur la surface des parois gravées une couche 5, de préférence en polymères, qui la protègera durant les étapes de gravure suivantes. La couche recouvrant le fond de la tranchée sera quant à elle enlevée à la prochaine phase de gravure. La passivation est effectuée avec un plasma comprenant du C4F8, pendant une durée d'environ 4 secondes. Avantageusement, la pression du plasma pendant l'étape de gravure ou de passivation est comprise entre 20 et 80 mTorr, et de manière préférentielle est sensiblement égale à 40 mTorr. De même, la puissance utilisée pour créer le plasma est comprise entre 1000W et 2000W, et de manière préférentielle est sensiblement égale à 1500W. On procède alors à nouveau à une étape de gravure. Durant le début de la phase de gravure, seule la couche protectrice 5 qui s'est formée au fond de la première portion de la tranchée 4 est enlevée. On peut donc graver une nouvelle portion de couche 6 sans modifier les parois de la portion de tranchée 4 et obtenir la portion de tranchée représentée sur la figure 4. Il suffit alors d'effectuer à nouveau une étape de passivation et de recommencer le cycle de gravure/passivation autant de fois que nécessaire pour obtenir une tranchée 7 comme représentée sur la figure 5. La tranchée 7 présente sur ses parois des encoches ENC dont la concavité est tournée vers l'intérieur de la tranchée. On constate que les parois de la tranchée présentent alors une forme ondulée, la largeur de la tranchée variant de manière périodique au fur et à mesure que l'on descend le long de ladite tranchée. De plus, lorsqu'on se place à une profondeur donnée et perpendiculairement à l'axe de la tranchée, on constate que la tranchée présente une section quasi-circulaire dont le diamètre varie de manière générale dans l'exemple décrit entre 1,4 et 1,6 m. La forme bien particulière de la tranchée est due à l'alternance des phases de gravure et de passivation. L'alternance provoque des encoches appelées scallops dont la concavité est tournée vers l'intérieur de la tranchée. Une fois la tranchée réalisée, les électrodes du condensateur sont réalisées sur les parois par dépôt par couches atomiques. On dépose ainsi un premier matériau conducteur 8, puis un isolant 9 et enfin un second matériau conducteur 10. La méthode de dépôt ALD permet de réaliser des électrodes ayant un aspect de surface semblable à celui du support sur lequel elles sont déposées. La méthode de dépôt par couches atomiques est connue en soi et on pourra se référer par exemple à l'article de Prechtl et al. intitulé A model for Al203 ALD conformity and deposition rate from oxygen precursor reactivity et paru dans la revue IEEE en 2003. L'intérieur 11 du condensateur peut alors être rempli d'un matériau isolant ou bien d'un matériau conducteur. On obtient donc un condensateur CD tel que représenté sur la figure 6 dont les électrodes vont présenter une surface plus grande que les électrodes d'une tranchée droite ayant la même profondeur. Les contacts électriques sur les électrodes du condensateur sont par exemple pris selon des moyens connus, habituellement utilisés pour les condensateurs à tranchées droites. La figure 7 reprend de façon schématique, les principales étapes de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention permettant la réalisation d'un condensateur en tranchée selon l'invention. Plus précisément, la figure 7 décrit une succession de N cycles comprenant chacun une étape de gravure 70 et une étape de passivation 71, puis intervient l'étape 72 de formation des électrodes par dépôt ALD. La valeur de N dépend de la profondeur souhaitée pour la tranchée. Bien que l'ait décrit ici la réalisation d'un seul condensateur, l'invention s'applique bien entendu à la réalisation simultanée de plusieurs condensateurs de ce type au sein d'un même substrat semi-conducteur. Avantageusement le rapport entre la surface totale des sections des tranchées et la surface de la plaquette de semi-conducteur est choisi inférieur à 70%. En outre, comme illustré schématiquement sur la figure 8, il est possible selon l'invention de réaliser un condensateur CD ayant plusieurs tranchées (ici deux). Ces tranchées 7A et 7B sont réalisées simultanément selon le procédé décrit ci-avant, et les prises de contacts sur les électrodes sont là encore prises de façon classique et connue en soi. Plus particulièrement, à titre d'exemple sur la figure 8, les électrodes 8, 10 et le matériau diélectrique 9 s'étendent continûment dans les tranchées du condensateur et entre les tranchées du condensateur, à la surface supérieure du substrat 1. On réalise ainsi un seul et même condensateur à plusieurs tranchées, avec des portions rectilignes entre les tranchées. La prise de contact sur l'électrode inférieure 8 peut être réalisée par l'intermédiaire d'une interconnexion métallique 13 (via). De même, lorsque les tranchées sont remplies d'un même matériau 14A électriquement conducteur continûment en contact avec une des électrodes (10) du condensateur (CD), la prise de contact sur l'électrode 10 peut s'effectuer par l'intermédiaire d'un via 14B. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication, dans une plaquette (1) d'un matériau semi-conducteur, de condensateurs (CD) de type tranchée ayant au moins une tranchée, ledit procédé comprenant une phase de réalisation de tranchées (7) et une phase de formation des éléments (8, 9, 10) du condensateur (CD) dans la tranchée (7) correspondante, caractérisé en ce que ladite phase de réalisation des tranchées (7) comprend une succession de cycles qui comprennent chacun une gravure plasma (70) et une passivation par plasma (71) de façon à former des tranchées avec un profil comprenant une succession d'encoches (ENC) tournant leur concavité vers l'intérieur de la tranchée, et en ce que ladite phase de formation des éléments (8, 9, 10) du condensateur (CD) dans au moins une tranchée (7) comprend un dépôt conforme sur les parois de la tranchée (7). 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la formation des éléments (8, 9, 10) du condensateur (CD) dans la tranchée (7) comprend un dépôt par couches atomiques (72). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le temps de gravure plasma (70) durant un cycle est compris entre 1 et 3 secondes, et de préférence est de 2 secondes. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le temps de passivation (71) durant un cycle est compris entre 2 et 4 secondes, et de préférence est de 3 secondes. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le plasma utilisé pour la gravure (70) comprend un gaz choisi dans le groupe formé par SF6 et HBr. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel le plasma utilisé pour la passivation (71) comprend C4F8. 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 dans lequel la pression du plasma est comprise entre 20 et 80 mTorr, et de préférence est sensiblement de 40 mTorr. 9 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel la puissance utilisée pour créer le plasma est comprise entre 1000W et 2000W, et de préférence est sensiblement de 1500W. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel le rapport entre la surface totale des sections des tranchées (7) et la surface de la plaquette (1) de semi-conducteur est inférieur à 70%. 10. Circuit intégré caractérisé en ce qu'il comprend au moins un condensateur (CD) obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Circuit intégré comprenant au moins un condensateur (CD) de type tranchée caractérisé par le fait que le condensateur (CD) comporte au moins une tranchée (7) ménagée dans un substrat et ayant un profil comprenant une succession d'encoches (ENC) tournant leur concavité vers l'intérieur de la tranchée. 12. Circuit intégré selon la revendication 11, dans lequel au moins un condensateur comporte plusieurs tranchées, et les deux électrodes (8, 10) et le matériau diélectrique (9) du condensateur (CD) s'étendent continûment dans les tranchées du condensateur (CD) et entre les tranchées, à la surface supérieure du substrat (1). 13. Circuit intégré selon la revendication 12 dans lequel les tranchées sont remplies d'un même matériau électriquement conducteur continûment en contact avec une des électrodes (10) du condensateur (CD).