Brevet FR2979478A1 — publié le 20130301

PROCEDE DE REALISATION D'UNE TRANCHEE PROFONDE DANS UN SUBSTRAT DE COMPOSANT MICROELECTRONIQUE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine de la réalisation de tranchées profondes dans des substrats de composants microélectroniques. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans le domaine de la microélectronique, les tranchées sont couramment utilisées pour définir un élément fonctionnel en le délimitant spatialement des éléments adjacents. Par exemple, des techniques de fabrication additives sont utilisées pour réaliser les différentes couches de matériau entrant dans la constitution d'éléments unitaires de détection d'un capteur matriciel, ou de transistors d'une mémoire par exemple, puis chacun des éléments unitaires est isolé de ses voisins en réalisant des tranchées autour de celui-ci. Une tranchée est cependant une grande source de défaut, et en l'absence de tout 20 traitement de ses parois, on observe généralement un fonctionnement dégradé des composants, cette dégradation étant d'autant plus accentuée que le facteur de forme de la tranchée, c'est-à-dire le rapport entre sa largeur et sa profondeur, est faible. En effet, les parois d'une tranchée présentent de nombreux défauts de surface. Par 25 exemple, lorsque les tranchées délimitent des éléments unitaires de détection, cela se traduit par un bruit important dans le signal délivré par ceux-ci et par une perte du rendement quantique. C'est pourquoi les parois d'une tranchée subissent usuellement un traitement, notamment un surdopage lorsque la tranchée est réalisée dans un substrat semi-conducteur, par exemple en silicium, et/ou un dépôt d'une couche de passivation. 30 Par ailleurs, il existe plusieurs types de procédé pour graver une tranchée. Des procédés de gravure qui limitent la formation des défauts de surface, comme par exemple des gravures sèches peuvent être utilisés. Ce type de procédé est cependant très lent, et donc peu compatible avec la production de masse de composants microélectroniques. En outre, 35 ces procédés ne permettent pas d'obtenir des tranchées avec un facteur de forme très faible. D'autres types de procédés de gravure, notamment les gravures ioniques à base de plasma, permettent de graver rapidement des tranchées, et sont donc compatibles avec la production de masse de composants. Cependant, ce type de procédé consiste à graver la tranchée portion après portion par l'application successive de cycles élémentaires de dépôt et de gravure. Il en résulte des parois très irrégulières présentant beaucoup de surplombs et d'encoches. Les surplombs, ou saillies, peuvent obstruer jusqu'à 20% de la largeur d'une tranchée inférieure à un micromètre. La présence de telles irrégularités limite fortement le traitement ultérieur des parois de la tranchée puisque les surplombs masquent une partie des parois. Ces parties masquées sont ainsi difficilement accessibles pour le dépôt ultérieur d'une couche de passivation ou la réalisation d'un surdopage. Il existe donc un besoin d'un procédé de gravure qui permette à la fois la réalisation de tranchées profondes ayant de très faibles facteurs de forme, typiquement des facteurs de forme inférieure à 1/25, et qui permette la réalisation de tranchée dont les parois sont sensiblement exemptes de défaut de surface, notamment des parois lisses et passivées. EXPOSE DE L'INVENTION Un mode de réalisation concerne ainsi un procédé de réalisation d'une tranchée profonde 20 dans un substrat comprenant une succession de cycles élémentaires de gravure gravant chacun une portion de la tranchée, chaque cycle élémentaire comprenant : ^ un dépôt d'une couche de passivation sur les parois internes de la portion de tranchée gravée lors de cycles précédents ; ^ une gravure ionique anisotrope au plasma pulsé de la portion de tranchée gravée lors 25 des cycles précédents, ladite gravure : o étant réalisée dans une atmosphère comprenant une espèce passivante ; et o comprenant au moins une première séquence de gravure suivie d'une deuxième séquence de gravure de puissance inférieure à puissance de la première séquence de gravure. 30 Tout d'abord, le dépôt de la couche de passivation a lieu pendant la gravure elle-même, à chaque fois qu'une portion de la tranchée est gravée. Ensuite, lors de la gravure d'une portion de la tranchée, la portion déjà gravée est 35 protégée par la présence de la couche de passivation. La première séquence de gravure d'un cycle élémentaire a ainsi pour effet de graver la couche de passivation déposée dans le fond de tranchée déjà gravée afin d'accéder au substrat, puis de poursuivre la gravure de ce dernier, idéalement tant qu'il reste du matériau passivant sur les parois. La seconde séquence, de puissance inférieure, continue de graver le substrat tout en étant moins agressive pour le matériau passivant restant, ce qui permet d'éviter tout phénomène de surgravure et de contrôler plus précisément le profil de la portion gravée. La présence de l'espèce passivante dans l'atmosphère lors de la gravure permet par ailleurs de protéger les parois de la tranchée en cours de gravure, une épaisseur de quelques nanomètres permettant en effet une telle protection. Il en résulte que la portion gravée par un cycle élémentaire est lisse, notamment sans surplomb ou saillie, ce qui permet un dépôt très simple de la couche de passivation lors du cycle élémentaire suivant. En outre, l'utilisation d'une gravure ionique à base de plasma permet de réaliser rapidement des tranchées profondes de très faible facteur de forme. De manière avantageuse, le procédé comprend au moins une des caractéristiques suivantes : ^ la gravure ionique est une gravure au plasma fluoré ; ^ la couche de passivation est une couche de fluoro-carbone ; ^ le fluoro-carbone provient par exemple des gaz C4F8, du C5F8 ou du C4F6 ; ^ la puissance de la seconde séquence de gravure est inférieure ou égale à 80% de la puissance de la première séquence de gravure ; ^ le plasma de la gravure ionique est généré entre deux électrodes alimentées selon une tension alternative de puissance comprise entre 100 watts et 1000 watts, et de fréquence comprise entre 100 Hz et 1000 Hz, notamment une fréquence de 400 Hz ; ^ le plasma est pulsé avec un cycle de service supérieur ou égal à 50%, notamment un cycle de service égale à 55% ; ^ la fréquence de pulsation du plasma est comprise entre 500 Hz et 2000 Hz, et est notamment égale à 1000 Hz ; ^ pendant la gravure ionique la température du substrat est inférieure à la température de condensation de l'espèce passivante, notamment une température inférieure ou égale à -10°C pour une espèce passivante fluorée ; ^ la durée du dépôt de la couche de passivation est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde ; ^ la durée de la première séquence de gravure est comprise entre 0,5 seconde et 1 seconde ; et ^ la durée de la deuxième séquence de gravure est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou fonctionnellement analogues, et dans lesquels : ^ les figures 1 à 5 sont des vues schématiques en coupe illustrant un cycle élémentaire de gravure d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention ; et ^ la figure 6 est un chronogramme illustrant un cycle élémentaire de commande d'une enceinte de gravure ionique à plasma pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il va à présent être décrit en relation avec les figures 1 à 5 un mode de réalisation de l'invention, les différentes couches illustrées ayant été volontairement exagérées pour plus de clarté. Le procédé comporte une succession de cycles élémentaires de gravure, gravant chacun une portion d'une tranchée 10 réalisée dans un substrat 12, par exemple un substrat semiconducteur, notamment en silicium. La figure 1 illustre le résultat obtenu à l'issue de cycles élémentaires précédents, le résultat du dernier cycle élémentaire 14 étant illustré entre les lignes en traits pointillés. Notamment, la tranchée 10 est recouverte d'une couche de passivation 16 d'épaisseur décroissante. Un cycle élémentaire débute par le dépôt d'une nouvelle couche de passivation 18 dans la tranchée 10. Par exemple, il est utilisé un plasma avec seulement un gaz fluorocarboné qui dépose un polymère à base de carbone et de fluor sur les parois latérales et le fond de la tranchée 10 (figure 2). La couche de passivation déposée 18 est avantageusement constituée de fluoro-carbone, et provient par exemple des gaz C4Fs, ou C5F8 ou C4F6. Avantageusement, la durée du dépôt est choisie de manière à déposer une couche d'épaisseur importante, supérieure à 10 nanomètres, sans risquer de boucher la tranchée. La durée est par exemple comprise entre comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde. Le cycle élémentaire se poursuit alors par l'application d'une première séquence G1 de gravure ionique anisotrope à base de plasma pulsé dans une atmosphère comprenant une espèce passivante, avantageusement un fluoro-carbone, notamment du C4Fs, du C5F8 ou du C4F6, et une espèce servant à la gravure, avantageusement un gaz fluoré notamment du CF4 ou du SF6. La puissance et le temps d'application de la gravure sont choisis pour graver le fond de la tranchée 10 qui comprend la couche de passivation 18 et ainsi accéder au substrat 12 (figure 3). Avantageusement, la première séquence G1 se poursuit jusqu'à ce qu'il reste quelques nanomètres de couche de passivation 18 en partie basse de la tranchée, ce qui permet de débuter une gravure supplémentaire du substrat 12 (figure 4). La présence de l'espèce passivante dans le plasma permet par ailleurs, au cours même de la gravure, de déposer une pellicule 20 de passivation qui protège le fond de la tranchée d'une sur-gravure à l'origine de saillie et de surplomb. De préférence, les conditions de dépôt de cette pellicule 20 sont optimisées en soumettant la tranchée à une température inférieure à la température de condensation de l'espèce passivante, par exemple une température inférieure ou égale à -10°C pour les fluorocarbone, et/ou en coupant régulièrement la génération du plasma de gravure. En effet, le plasma est usuellement généré en soumettant un gaz inerte à des décharges électriques, comme de l'argon par exemple, ce qui crée des ions bombardant la surface à graver. Notamment, le plasma est généré entre deux électrodes distantes de quelques centimètres et soumises à une alimentation électrique alternative, de fréquence comprise entre 100 Hz et 1000 Hz, par exemple 400 Hz, et de puissance comprise entre 100 watts et 1000 watts, ce qui permet de générer un plasma pulsé et une gravure ionique anisotrope. La fréquence de pulsation du plasma est comprise entre 500 Hz et 2000 Hz, et est notamment égale à 1000 Hz Cependant, lors de la génération du plasma, l'espèce passivante est également ionisée. Or les ions se déposent plus difficilement sur les parois d'une tranchée que les molécules non ionisées. En coupant régulièrement la génération du plasma, ce sont des molécules passivantes non ionisées qui se déposent pendant ces coupures régulières, ce qui facilite la formation de la pellicule 20. Avantageusement, le cycle de service de la génération du plasma, c'est-à-dire le pourcentage du temps pendant lequel le plasma est généré, est supérieur à 50%, et de préférence égal à 55%. La durée de la première séquence est choisie pour graver au maximum le substrat 12 sans risquer de phénomène de surgravure. Par exemple, la durée de la première séquence est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde. Le cycle élémentaire se poursuit alors par une deuxième séquence G2 de gravure ionique qui diffère de la première séquence G1 par une puissance inférieure du plasma. Notamment, la puissance du plasma de la seconde séquence G2 est inférieure ou égale à 80% de la puissance du plasma de la première séquence Gl. En diminuant ainsi la puissance du plasma, il est plus difficile de graver le matériau de passivation déposé sur les parois de la tranchée, tout en continuant à graver le substrat 12. En effet, le matériau sur les flancs se grave moins vite puisqu'il subit moins de bombardement que le fond du de la tranchée. On évite ainsi tout phénomène de sur-gravure tout en contrôlant précisément le profil de la tranchée 10. A l'issue de la deuxième séquence de gravure G2, il est ainsi obtenu une nouvelle portion de tranchée gravée qui est lisse et passivée (figure 5). La puissance de la deuxième séquence est réduite par rapport à celle de la première séquence, le substrat est donc gravé plus lentement. Sachant que la première séquence G1 grave également le substrat 12, mais à rythme plus soutenu, de manière avantageuse, la durée de la deuxième séquence est également choisi pour optimiser le temps de gravure global. Notamment, la durée d'application de deuxième séquence est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde. Le procédé précédemment décrit est mis en oeuvre dans une enceinte de gravure ionique à plasma classique, en modifiant les paramètres de fonctionnement de l'état de la technique. On pourra par exemple se référer au document « Manufacturing integration considerations of through-silicon via etching» de Steve Lassig, journal Solid State Techno logy, décembre 2007 (http ://www. electroiq. com/articles/sst/print/volume50/issue-12/features/cu-low-k/manufacturing-i ntegration-considerations-o f-through- Silicon-via-etching.html), au document « Etch Challenges for 3-D Integration » de H. Singh et al., Proceedings of the 3rd Plasma Etch and Strip in Microelectronics Workshop, Grenoble 2010, et au document « the yole developpement magazine micronews n°61 », septembre 2007. Les réglages correspondant au cycle élémentaire décrit précédemment sont illustrés à la figure 6 qui décrit un cycle élémentaire de commande, ce cycle comprenant : ^ une étape 30 de commande de l'enceinte pour le dépôt d'une couche de passivation 18. Pour ce faire, on utilise un plasma de gaz fluorocarboné seul qui va déposer une couche de polymère carboné sur les motifs. Le circuit de génération du plasma de l'enceinte est coupé, et une espèce passivante est introduite dans l'enceinte. Un dépôt chimique en phase vapeur est par exemple mis en oeuvre ; ^ une étape 32 de commande de l'enceinte pour la purge de l'enceinte. La purge permet d'éliminer l'excès de gaz passivant dans l'enceinte afin de favoriser la gravure ; ^ une première étape de commande 34 de gravure ionique avec un gaz fluoré au cours de laquelle les électrodes de décharge sont commandées pour la séquence de gravure G1 à base de plasma pulsé anisotrope de puissance. Parallèlement, une espèce passivante est également introduite dans l'enceinte. ^ une deuxième étape de commande 36 de gravure ionique consistant à réduire la puissance du plasma afin de mettre en oeuvre la deuxième séquence de gravure G2. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'une tranchée profonde dans un substrat comprenant une succession de cycles élémentaires de gravure gravant chacun une portion de la tranchée, chaque cycle élémentaire comprenant : ^ un dépôt d'une couche de passivation sur les parois internes de la portion de tranchée gravée lors de cycles précédents ; ^ une gravure ionique anisotrope au plasma pulsé de la portion de tranchée gravée lors des cycles précédents, ladite gravure : o étant réalisée dans une atmosphère comprenant une espèce passivante ; et o comprenant au moins une première séquence de gravure suivie d'une deuxième séquence de gravure de puissance inférieure à puissance de la première séquence de gravure. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la gravure ionique est une gravure au plasma fluoré. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche de passivation est une couche de fluoro-carbone. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le fluoro-carbone provient du C4F8, du C5F8 ou du C4F6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la puissance de la seconde séquence de gravure est inférieure ou égale à 80% de la puissance de la première séquence de gravure. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plasma de la gravure ionique est généré entre deux électrodes alimentées selon une tension alternative de puissance comprise entre 100 watts et 1000 watts, et de fréquence comprise entre 100 Hz et 1000 Hz, notamment une fréquence de 400 Hz. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le plasma est pulsé avec un cycle de service supérieur ou égal à 50%, notamment un cycle de service égal à 55%. 10 152. 3. 20 4. 5. 25 6. 30 7. 358. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fréquence de pulsation du plasma est comprise entre 500 Hz et 2000 Hz, notamment une fréquence de 1000 Hz. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pendant la gravure ionique, la température du substrat est inférieure à la température de condensation de l'espèce passivante, notamment une température inférieure ou égale à -10°C pour une espèce passivante fluorée. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée du dépôt de la couche de passivation est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de la première séquence de gravure est comprise entre 0,5 seconde et 1 seconde. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la durée de la deuxième séquence de gravure est comprise entre 0,7 seconde et 1 seconde.