Brevet FR2978866A1 — publié le 20130208

B10947 - 11-GR3-0101 1 PROCEDE DE FORMATION ET DE GRAVURE D'UNE COUCHE D'OXYDE DE SILICIUM NITRURE Domaine de l'invention La présente invention concerne la formation et la gravure de couches d'isolant de grille en oxyde de silicium nitruré (SiON). Exposé de l'art antérieur La figure 1 est une vue en coupe d'une portion d'une plaquette de silicium 1 sur laquelle ont été fabriquées trois grilles conductrices 4 de transistors dont les zones actives 2 sont séparées par des zones d'isolation 3 constituées de tranchées peu profondes remplies d'un isolant, couramment de l'oxyde de silicium, couramment désignées dans la technique par l'acronyme d'origine anglo-saxonne STI (Shallow Trench Isolation). Les grilles 4 reposent sur des couches d'isolant 5, 7 et 9 de trois épaisseurs différentes. Pour former des structures telles que celle représentée en figure 1, plusieurs étapes de photolithographie et de gravure sont nécessaires pour former les trois couches d'isolant de grille d'épaisseurs différentes. Des étapes successives d'obtention de couches isolantes de trois épaisseurs différentes au-dessus de trois zones actives différentes d'une plaquette de silicium sont B10947 - 11-GR3-0101 2 illustrées en figures 2A à 2E. Des parties de chacune de ces couches sont destinées à servir d'isolant de grille dans des structures telles que celle décrite en relation avec la figure 1. On s'intéresse ici au cas où les couches isolantes sont des couches d'oxyde de silicium nitruré. Une première étape, illustrée en figure 2A, consiste en la formation d'une couche d'oxyde de silicium 10 sur une plaquette de silicium 1, par exemple par oxydation thermique des zones actives 11, 12 et 13 situées entre des zones d'isolation 3. La couche d'oxyde de silicium est nitrurée, par exemple par dopage plasma d'azote. Une deuxième étape, illustrée en figure 2B, consiste en la protection par un masque de résine 15 de la partie de la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 située au-dessus de la zone active 11, et en l'élimination par gravure humide des parties de la couche 10 situées au-dessus des zones actives 12 et 13. La gravure humide est généralement réalisée par de l'acide fluorhydrique, ou par un mélange d'acide fluorhydrique et de fluorure d'ammonium. Après cette élimination partielle de la couche 10, la couche de résine 15 est retirée. Une troisième étape, illustrée en figure 2C, consiste en la formation d'une couche d'oxyde de silicium nitruré 17 au-dessus des zones actives 12 et 13, d'une épaisseur inférieure à celle de la couche 10. Une quatrième étape, illustrée en figure 2D, consiste en la protection par un masque de résine 18 des parties des couches d'oxyde de silicium nitruré 10 et 17 situées au-dessus des zones actives 11 et 12, et en l'élimination par gravure de la partie de la couche 17 située au-dessus de la zone active 13. Après cette élimination partielle de la couche 17, la couche de résine 18 est retirée. Une cinquième étape, illustrée en figure 2E, consiste en la formation d'une couche d'oxyde de silicium nitruré 19 au-dessus de la zone active 13, d'une épaisseur différente de celle B10947 - 11-GR3-0101 3 des couches 10 et 17, par exemple d'une épaisseur inférieure à celles de ces deux couches. Les figures 3A à 3G illustrent les différentes étapes permettant de passer de la structure représentée en figure 2A à celle représentée en figure 2B. Elles illustrent plus particulièrement le cas où, pour des raisons pratiques, il faut prévoir une reprise d'une étape de photolithographie. La figure 3A correspond à la figure 2A. La figure 3B représente la plaquette après des dépôts successifs d'une couche de promoteur d'adhérence 20 et d'une couche de résine photosensible 21, la couche de promoteur d'adhérence étant destinée à éviter le décollement de la résine. La figure 3C représente la plaquette après insolation et développement de la résine 21. L'insolation et le développement de la résine permettent de définir des zones 23 de résine au-dessus des parties de la couche 10 qu'on ne veut pas graver. Lors des deux étapes illustrées en figures 3B et 3C, des défauts de traitement peuvent survenir, par exemple des défauts lors de l'opération de couchage de la résine, et des défauts de positionnement et/ou de dimensionnement du masque de photolithographie servant à délimiter les zones 23. Il est alors nécessaire d'enlever la résine et de reprendre l'étape de photolithographie, c'est-à-dire de faire une reprise d'opération (rework). La plaquette de silicium après retrait de la résine est représentée en figure 3D. Cette plaquette se retrouve normalement dans l'état illustré en figure 3A. Ce retrait de résine est classiquement réalisé en plongeant la plaquette dans une solution, dite SPM, qui est un mélange d'acide sulfurique et de peroxyde d'hydrogène. La solution SPM élimine aussi la couche de promoteur d'adhérence 20. On répète alors, comme cela est représenté en figures 3E et 3F, les étapes décrites en relation avec les figures 3B et 35 3C. B10947 - 11-GR3-0101 4 Comme l'illustre la figure 3G, si le résultat de ces reprises de lithographie s'avère satisfaisant, on élimine par gravure le promoteur d'adhérence 26 et la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 présents au-dessus des zones actives 12 et 13. A l'issue de cette étape, la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 est présente seulement à l'emplacement protégé par la résine. La figure 3G correspond à la figure 2B. Le même enchaînement d'opérations, avec d'éventuelles reprises, permet de passer de l'état de la plaquette de silicium 10 illustré en figure 2C à celui illustré en figure 2D. Les étapes de photolithographie sont réalisées dans des équipements coûteux, qui sont présents en nombre réduit dans une usine de fabrication de composants semiconducteurs. Le temps d'attente peut donc être de plusieurs jours avant de pouvoir 15 utiliser ces équipements. La surface des couches d'oxyde de silicium nitruré a tendance à se dé-nitrurer au contact de l'air car les liaisons entre les atomes de silicium et les atomes d'azote sont beaucoup moins stables que celles entre des atomes de silicium et des 20 atomes d'oxygène. Plus le temps d'attente à l'air est long, plus cette couche risque de perdre un nombre important d'atomes d'azote. De plus, si une reprise d'opération d'une étape de photolithographie est nécessaire, la couche d'oxyde de silicium 25 nitruré peut perdre à nouveau un nombre important d'atomes d'azote en surface, d'une part à cause de l'attaque chimique par la solution utilisée pour le retrait de la résine, et d'autre part à cause d'une oxydation à l'air pendant les phases d'attente. 30 Dans le cas de structures du type de celle décrite en figure 1, deux étapes de photolithographie sont nécessaires pour obtenir des couches d'oxyde de silicium nitruré de trois épaisseurs différentes. De plus, la plaquette peut être soumise à des reprises d'opérations lors de chacune des deux étapes de 35 photolithographie, ce qui risque de réduire le nombre d'atomes B10947 - 11-GR3-0101 d'azote présents dans les deux premières couches 10 et 17 d'oxyde de silicium nitruré formées. La valeur de la tension de seuil de transistors dont la couche d'isolant de grille est en oxyde de silicium nitruré 5 dépend de la concentration d'azote dans cette couche. Une perte importante d'atomes d'azote dans la couche d'oxyde de silicium nitruré décale alors la valeur de la tension de seuil de tels transistors par rapport à la valeur prévue initialement, ce qui nuit au fonctionnement d'un circuit comprenant des transistors. Résumé Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention vise à minimiser la perte d'atomes d'azote dans une couche d'oxyde de silicium nitruré. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de formation et de gravure d'une couche d'isolant de grille sur une plaquette de silicium, comprenant les étapes suivantes : dans un premier équipement, former une couche d'oxyde de silicium nitruré sur la plaquette ; immédiatement après, déposer une couche d'un promoteur d'adhérence sur la couche d'oxyde de silicium nitruré ; puis, dans un deuxième équipement : a) déposer une couche de résine photosensible sur la couche de promoteur d'adhérence ; b) insoler et développer la couche de résine photosensible ; c) si le résultat des étapes a) et b) n'est pas satisfaisant, enlever la couche de résine photosensible mais pas la couche de promoteur d'adhérence et recommencer les étapes a) et b) ; d) si le résultat des étapes a) et b) est satisfaisant, éliminer par gravure la couche de promoteur d'adhérence et la couche d'oxyde de silicium nitruré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaquette est maintenue sous atmosphère protégée entre l'étape de formation de la couche d'oxyde de silicium nitruré et l'étape de dépôt de la couche de promoteur d'adhérence. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de formation de trois couches d'isolant de B10947 - 11-GR3-0101 6 grille d'épaisseurs différentes sur une plaquette de silicium, comprenant les étapes suivantes : appliquer le procédé ci-dessus à une première couche d'isolant de grille d'une première épaisseur pour former une couche d'isolant de grille de cette première épaisseur dans des premières zones actives de la plaquette et l'enlever par gravure dans des deuxièmes et troisièmes zones ; appliquer le procédé ci-dessus à une deuxième couche d'isolant de grille d'une deuxième épaisseur pour former une couche d'isolant de grille de cette deuxième épaisseur dans les deuxièmes et troisièmes zones actives de la plaquette et l'enlever par gravure dans les troisièmes zones ; et former une troisième couche d'isolant de grille en oxyde de silicium nitruré d'une troisième épaisseur dans les troisièmes zones actives de la plaquette. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première couche d'isolant de grille a une épaisseur comprise entre 5 et 7 nanomètres et la deuxième couche d'isolant de grille a une épaisseur comprise entre 2 et 3 nanomètres. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le promoteur d'adhérence est l'héxaméthyldichlorosilane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la solution de retrait de la résine photosensible est de l'acide sulfurique concentré. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la solution de retrait de la résine photosensible est un mélange de N-méthyl-2-pyrrolidone, NMP, et d'hydroxyde de tétraméthylammonium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la solution de retrait de la résine photosensible est un mélange 30 de diméthylsulfoxyde, DMSO, et d'éthanolamine. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 35 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : B10947 - 11-GR3-0101 7 la figure 1, décrite précédemment, est une vue en coupe schématique d'une plaquette de silicium sur laquelle ont été formées trois grilles de transistors avec des épaisseurs d'isolant de grille différentes ; les figures 2A à 2E, décrites précédemment, illustrent des étapes successives de formation de trois couches d'oxyde de silicium nitruré d'épaisseurs différentes sur une plaquette de silicium ; les figures 3A à 3G, décrites précédemment, illustrent une reprise d'opération d'une étape de photolithographie ; les figures 4A à 4G illustrent une reprise d'opération d'une étape de photolithographie ; et la figure 5 est un organigramme illustrant différentes étapes de formation et de gravure d'une couche d'oxyde de 15 silicium nitruré. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des dispositifs à semiconducteur, les diverses figures ne sont pas 20 tracées à l'échelle. Description détaillée Les figures 4A à 4G illustrent différentes étapes permettant de passer de la structure représentée en figure 2A à celle représentée en figure 2B. Elles illustrent plus 25 particulièrement le cas où il a fallu réaliser une reprise (rework) d'une étape de photolithographie. La figure 4A correspond à la structure illustrée en figure 2A, la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 étant revêtue d'une couche de promoteur d'adhérence 20, par exemple de 30 l'héxaméthyldichlorosilane. La couche d'oxyde de silicium nitruré 10 a par exemple été formée par oxydation thermique des zones actives de la plaquette de silicium, suivie d'une implantation d'atomes d'azote et d'un recuit, ces trois étapes étant réalisées dans le même équipement. La couche de promoteur 35 d'adhérence 20 a ensuite été directement déposée au-dessus de la B10947 - 11-GR3-0101 8 couche 10 dans le même équipement, ou tout au moins en maintenant la plaquette de silicium en atmosphère protégée. Dans une structure telle que celle décrite en relation avec la figure 4A, la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 étant protégée d'une exposition à l'air par la couche de promoteur d'adhérence 20, la plaquette peut attendre plusieurs jours sans qu'il y ait de risque de dégradation de la couche d'oxyde de silicium nitruré. La figure 4B représente la plaquette après un dépôt d'une couche de résine photosensible 21. Ce dépôt de résine peut, sans inconvénient, avoir lieu plusieurs jours après le dépôt de la couche de promoteur d'adhérence 20 au-dessus de la couche d'oxyde de silicium nitruré 10. La figure 4C représente la plaquette après insolation 15 de la résine et développement. Comme précédemment, si le résultat des étapes illustrées en figures 4B et 4C ne s'avère pas satisfaisant, on procède à une reprise de ces étapes de photolithographie. On choisit une solution permettant d'éliminer la couche de résine 20 21 mais n'attaquant pas la couche de promoteur d'adhérence 20. A titre d'exemple, cette solution peut être de l'acide sulfurique concentré, ou bien un mélange de N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP) et d'hydroxyde de tétraméthylammonium, ou encore un mélange de diméthylsulfoxyde (DMSO) et d'éthanolamine. 25 La plaquette de silicium après retrait de la résine est représentée en figure 4D. Cette plaquette se retrouve dans l'état illustré en figure 4A, la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 étant toujours revêtue de la couche de promoteur d'adhérence 20, et donc protégée d'une oxydation à l'air. 30 On répète alors, comme cela est représenté en figures 4E et 4F, les étapes décrites en relation avec les figures 4B et 4C. Comme l'illustre la figure 4G, si le résultat de ces opérations s'avère satisfaisant, on élimine par gravure la 35 couche de promoteur d'adhérence 20 et la couche d'oxyde de B10947 - 11-GR3-0101 9 silicium nitruré 10, de façon à obtenir une structure correspondant à celle illustrée en figure 2B. Pour obtenir une structure telle que représentée en figure 2E, on procède aux mêmes enchaînements d'opérations, avec d'éventuelles reprises, pour passer de l'état illustré en figure 2C à celui illustré en figure 2D, en commençant par le dépôt d'une couche de promoteur d'adhérence au-dessus des couches d'oxyde de silicium nitruré 10 et 17 immédiatement après la formation de la couche 17 de la deuxième épaisseur. A titre d'exemple, dans une structure telle que représentée en figure 2E, l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium nitruré 10 peut être comprise entre 5 et 7 nanomètres et celle de la couche d'oxyde de silicium nitruré 17 entre 2 et 3 nanomètres, l'épaisseur de la couche 19 étant inférieure à celle de la couche 17. La figure 5 résume, sous forme d'organigramme, des étapes de formation et de gravure d'une couche d'oxyde de silicium nitruré sur une plaquette de silicium. Les premières étapes 31 à 34 sont réalisées séquentiellement dans un même équipement 30, ou tout au moins en maintenant la plaquette de silicium en atmosphère protégée entre deux traitements. Lors d'une étape 31, on forme un oxyde de silicium sur une plaquette de silicium, par exemple par oxydation thermique. Lors d'une étape 32, on nitrure la couche d'oxyde de silicium, par exemple par dopage plasma d'azote. Lors d'une étape 33, on procède à un recuit de la couche d'oxyde de silicium nitruré. Puis, lors d'une étape 34, on dépose une couche d'un promoteur d'adhérence, par exemple de l'héxaméthyldichlorosilane, sur la couche d'oxyde de silicium nitruré, immédiatement après le recuit. Ce dépôt d'une couche de promoteur d'adhérence dans le même équipement 30 que celui utilisé pour l'oxydation thermique, la nitruration, et le recuit, juste après la fin de cet enchaînement d'opérations, permet de protéger l'oxyde de B10947 - 11-GR3-0101 10 silicium nitruré venant d'être formé vis-à-vis d'une oxydation à l'air, notamment en attendant les étapes suivantes. Dans un autre équipement, on procède, lors d'une étape 38, au dépôt d'une couche de résine photosensible sur la couche de promoteur d'adhérence, puis, lors d'une étape 39, à l'insolation et au développement de la résine. Si le résultat des étapes 38 et 39 n'est pas satisfaisant, on procède à une reprise de ces étapes de photolithographie, c'est-à-dire au retrait 40 de la couche de résine, tout en conservant la couche de promoteur d'adhérence au-dessus de la couche d'oxyde de silicium nitruré pour la protéger, puis à une reprise des étapes 38 et 39. Si le résultat est satisfaisant, on peut alors, lors d'une étape 41, éliminer par gravure la couche de promoteur d'adhérence, puis, lors d'une étape 42, la couche d'oxyde de silicium nitruré. Un procédé correspondant à l'organigramme de la figure 5 permet de minimiser la perte d'atomes d'azote à la surface de la couche d'oxyde de silicium nitruré à la suite de sa formation et pendant sa gravure. Le dépôt, dans le même équipement, d'une couche de promoteur d'adhérence au-dessus d'une couche d'oxyde de silicium nitruré, immédiatement après sa formation dans un premier équipement, permet de protéger la couche d'oxyde de silicium nitruré d'une oxydation à l'air en attendant de réaliser des étapes de photolithographie dans un deuxième équipement. De plus, dans le cas où il faut prévoir une reprise d'opération d'une étape de photolithographie, l'utilisation d'une solution de retrait de la résine n'éliminant pas la couche de promoteur d'adhérence recouvrant la couche d'oxyde de silicium nitruré permet de protéger celle-ci, d'une part vis-à-vis de l'attaque chimique par la solution de retrait de la résine, et d'autre part vis-à-vis d'une oxydation à l'air en attendant un nouveau dépôt de résine. REVENDICATIONS1. Procédé de formation et de gravure d'une couche d'isolant de grille sur une plaquette de silicium (1), comprenant les étapes suivantes : dans un premier équipement : - former (31-33) une couche d'oxyde de silicium nitruré (10) sur la plaquette ; - immédiatement après, déposer (34) une couche d'un promoteur d'adhérence (20) sur la couche d'oxyde de silicium nitruré (10) ; puis, dans un deuxième équipement : a) déposer (38) une couche de résine photosensible (21) sur la couche de promoteur d'adhérence (20) ; b) insoler et développer (39) la couche de résine photosensible (21) ; c) si le résultat des étapes a) et b) n'est pas satisfaisant, enlever (40) la couche de résine photosensible mais pas la couche de promoteur d'adhérence (20) et recommencer les étapes a) et b) ; d) si le résultat des étapes a) et b) est satisfaisant, éliminer par gravure (41-42) la couche de promoteur d'adhérence (20) et la couche d'oxyde de silicium nitruré (10). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la plaquette (1) est maintenue sous atmosphère protégée entre l'étape (31-33) de formation de la couche d'oxyde de silicium nitruré (10) et l'étape (34) de dépôt de la couche de promoteur d'adhérence (20). 3. Procédé de formation de trois couches d'isolant de grille d'épaisseurs différentes sur une plaquette de silicium, 30 comprenant les étapes suivantes : - appliquer le procédé selon la revendication 1 ou 2 à une première couche d'isolant de grille (10) d'une première épaisseur pour former une couche d'isolant de grille de cette première épaisseur dans des premières zones actives de laB10947 - 11-GR3-0101 12 plaquette et l'enlever par gravure dans des deuxièmes et troisièmes zones ; - appliquer le procédé selon la revendication 1 ou 2 à une deuxième couche d'isolant de grille d'une deuxième épaisseur pour former une couche d'isolant de grille de cette deuxième épaisseur dans les deuxièmes et troisièmes zones actives de la plaquette et l'enlever par gravure dans les troisièmes zones ; et - former une troisième couche d'isolant de grille en 10 oxyde de silicium nitruré d'une troisième épaisseur dans les troisièmes zones actives de la plaquette. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la première couche d'isolant de grille (10) a une épaisseur comprise entre 5 et 7 nanomètres et la deuxième couche d'isolant 15 de grille a une épaisseur comprise entre 2 et 3 nanomètres. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le promoteur d'adhérence (20) est l'héxaméthyldichlorosilane. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 5, dans lequel la solution de retrait de la résine photosensible est de l'acide sulfurique concentré. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la solution de retrait de la résine photosensible est un mélange de N-méthyl-2-pyrrolidone, NMP, et 25 d'hydroxyde de tétraméthylammonium. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la solution de retrait de la résine photosensible est un mélange de diméthylsulfoxyde, DMSO, et d'éthanolamine.