Brevet FR3019937A1 — publié le 20151016

B13222 - 13-GR3-1220FR01 1 PROCÉDÉ DE FORMATION DE TRANCHÉES D'ISOLEMENT Domaine La présente description concerne la formation de tranchées d'isolement. Plus particulièrement, la présente description concerne la formation de tranchées isolées remplies 5 d'un matériau conducteur. Exposé de l'art antérieur Des composants électroniques, et en particulier des pixels, formés dans un substrat semiconducteur sont généralement séparés les uns des autres par des structures d'isolement. Un 10 type de structure d'isolement comprend une tranchée dont les parois sont recouvertes d'un revêtement isolant, la tranchée étant remplie d'un matériau conducteur. La figure 1 est une vue en coupe schématique représentant un exemple d'un dispositif comprenant de telles 15 tranchées d'isolement et un transistor s'étendant entre deux tranchées. Deux tranchées 1 sont formées dans un substrat semiconducteur 3. Les parois de chaque tranchée sont recouvertes d'un revêtement isolant 5. Chaque tranchée est remplie d'un matériau conducteur 7 dont une portion supérieure 9 dépasse au- 20 dessus de la surface supérieure du substrat 3. En fonctionnement, un potentiel de polarisation fixe est appliqué au matériau conducteur 7 de la tranchée. B13222 - 13-GR3-1220FR01 2 Un transistor dont on n'a représenté que la grille est formé entre les deux tranchées. La grille conductrice 11 recouvre une portion d'une couche d'isolant de grille 13. La grille s'étend entre les deux tranchées 1, chaque extrémité de la grille étant disposée au-dessus de la portion supérieure 9 du matériau conducteur 7 d'une tranchée 1. En fonctionnement, la grille 11 est mise alternativement à un potentiel haut et à un potentiel bas. Au niveau d'une portion supérieure 9 du matériau conducteur 7, la grille 11 est séparée du matériau conducteur 7 par la couche isolante 13 dont l'épaisseur est généralement inférieure à 10 nm. Ainsi, il existe une forte capacité parasite entre la grille 11 et le matériau conducteur 7. En outre, en raison de la faible épaisseur de la couche d'isolant de grille 13 et de la topographie de la portion supérieure 9 du matériau conducteur 7 de chaque tranchée 1, des fissures peuvent survenir dans la couche d'isolant de grille 13, plus particulièrement au niveau des coins supérieurs de la portion 9. Ces fissures dans la couche d'isolant de grille 13 peuvent provoquer des courts-circuits entre la grille 11 et ce matériau conducteur 7. Il serait souhaitable de prévoir une structure évitant ces inconvénients. Par ailleurs, il existe des dispositifs comprenant des tranchées d'isolement profondes couramment appelées tranchées DTI (de l'anglais "Deep Trench Isolation") et des tranchées moins profondes couramment appelées STI (de l'anglais "Shallow Trench Isolation"). Les tranchées DTI, par exemple les tranchées de la figure 1, pénètrent généralement de plus de 2 fun dans le substrat et les tranchées STI pénètrent généralement de moins de 1 fun dans le substrat, les tranchées STI étant couramment remplies d'un matériau isolant, par exemple de l'oxyde de silicium. Dans de tels dispositifs, il est souhaitable, 35 notamment pour la mise en oeuvre de procédés de photo- B13222 - 13-GR3-1220FR01 3 lithographie, que les faces supérieures des matériaux remplissant les diverses tranchées soient au même niveau. Résumé Ainsi, un mode de réalisation prévoit un procédé de 5 fabrication d'une tranchée d'isolement comprenant les étapes successives suivantes a) former, sur un substrat semiconducteur, une première structure de masquage comprenant une couche d'un premier matériau gravable sélectivement, et graver une tranchée dans le substrat ; b) former un revêtement 10 isolant sur les parois de la tranchée et remplir la tranchée de silicium polycristallin dopé ; c) former un bouchon d'oxyde de silicium pénétrant dans la tranchée sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure du substrat et dépassant au-dessus de la surface supérieure du substrat ; et d) éliminer la couche du 15 premier matériau. Selon un mode de réalisation, le bouchon d'oxyde pénètre dans la tranchée jusqu'en dessous de la surface supérieure du substrat. Selon un mode de réalisation, l'étape c) comprend les 20 étapes successives suivantes : cl) graver sélectivement le silicium polycristallin de sorte qu'une portion supérieure du silicium polycristallin atteigne un niveau intermédiaire de l'épaisseur de la couche du premier matériau ; et c2) procéder à une oxydation thermique pour former ledit bouchon d'oxyde à 25 partir de ladite portion supérieure. Selon un mode de réalisation l'étape c) comprend les étapes successives suivantes : c3) graver sélectivement silicium polycristallin sensiblement jusqu'au niveau de surface supérieure du substrat ; c4) déposer de l'oxyde 30 silicium de sorte que, au-dessus de la surface supérieure silicium polycristallin, l'oxyde de silicium atteigne au moins la surface supérieure de la couche du premier matériau ; et c5) planariser la surface supérieure de la structure jusqu'à la couche du premier matériau. le la de du B13222 - 13-GR3-1220FR01 4 Selon un mode de réalisation, le premier matériau est du nitrure de silicium. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, entre les étapes c) et d), les étapes successives suivantes : e) former une deuxième structure de masquage ; f) graver une tranchée moins profonde dans la couche du premier matériau et dans le substrat ; g) déposer un deuxième matériau isolant pour remplir ladite tranchée moins profonde ; et h) planariser la surface supérieure de la structure jusqu'au niveau dudit bouchon d'oxyde. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, après l'étape d), les étapes successives suivantes : i) découvrir la surface supérieure du substrat ; j) déposer une couche d'isolant de grille puis des couches d'un empilement conducteur de grille sur la surface exposée de la structure ; et k) masquer et graver pour laisser en place la grille. Selon un mode de réalisation, le revêtement isolant comprend une couche d'oxyde de silicium thermique, une couche d'oxyde de silicium déposé et une couche de nitrure de silicium. Selon un mode de réalisation, le remplissage de la tranchée à l'étape b) est effectué par dépôt d'une couche de silicium polycristallin dopé sur la surface exposée de la structure. Selon un mode de réalisation, le dépôt de la couche de 25 silicium polycristallin dopé est suivi d'une étape de planarisation de la surface supérieure de la structure jusqu'à la couche du premier matériau. Selon un mode de réalisation, ledit deuxième matériau isolant est de l'oxyde de silicium. 30 Un mode de réalisation prévoit une structure d'isolement formée dans un substrat semiconducteur, la structure d'isolement comprenant : une tranchée pénétrant dans le substrat ; un revêtement isolant recouvrant les parois de la tranchée ; du silicium polycristallin dopé remplissant la 35 tranchée ; et un bouchon d'oxyde de silicium formé au sommet du B13222 - 13-GR3-1220FR01 silicium polycristallin, la face supérieure du bouchon d'oxyde dépassant au-dessus du substrat et la face inférieure du bouchon étant sensiblement au niveau de la surface supérieure du substrat. 5 Selon un mode de réalisation la face inférieure du bouchon est en dessous de la surface supérieure du substrat. Selon un mode de réalisation la tranchée pénètre dans le substrat sur une profondeur supérieure à 2 pin. Brève description des dessins Ces 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 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, est une vue en 15 coupe représentant schématiquement un transistor formé entre deux tranchées DTI ; les figures 2A à 2E sont des vues en coupe schématiques illustrant un mode de réalisation d'étapes successives de fabrication de tranchées DTI ; 20 les figures 3A et 3B sont des vues en coupe schématiques illustrant une variante de réalisation d'étapes successives de fabrication de tranchées DTI ; et les figures 4A à 4E sont des vues en coupe schématiques illustrant un mode de réalisation d'étapes 25 successives de fabrication de tranchées DTI et STI. Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée 30 Dans la présente demande, lorsque deux surfaces sont décrites comme étant sensiblement au même niveau, on comprendra que ces deux surfaces sont au même niveau avec plus ou moins 5 nm d'écart. Les figures 2A à 2E sont des vues en coupe 35 schématiques illustrant un mode de réalisation d'étapes B13222 - 13-GR3-1220FR01 6 successives d'un procédé de fabrication de tranchées isolées remplies de silicium polycristallin. La figure 2A représente un substrat semiconducteur 3 revêtu d'une couche de masquage 21. La couche de masquage 21 5 ou masque dur - est par exemple une couche de nitrure de silicium déposée sur une couche d'oxyde de silicium 25. Des ouvertures ont été formées par photolithographie dans la couche de masquage 21 et deux tranchées 27 ont été gravées jusque dans le substrat 3. Après la formation des tranchées 27, les parois 10 de ces tranchées sont isolées en formant un revêtement isolant 29 sur ces parois. Cette étape d'isolation est suivie du dépôt d'une couche de silicium polycristallin dopé 31 sur la surface exposée de la structure jusqu'à remplir les tranchées de silicium polycristallin 31. 15 A titre d'exemple, le substrat 3 est en silicium monocristallin. La couche d'oxyde de silicium 25 peut être formée par oxydation thermique de la surface supérieure du substrat et peut avoir une épaisseur comprise entre 5 et 20 nm, par exemple 7 nm. La couche de masquage 21 peut être déposée par 20 dépôt chimique en phase vapeur, l'épaisseur de cette couche pouvant être comprise entre 25 et 200 nm, par exemple 100 nm. Les tranchées 27 sont formées par des procédés de gravure anisotrope incluant généralement des attaques plasma adaptées aux divers matériaux à graver. Le revêtement isolant comprend 25 une ou plusieurs couches isolantes. Par exemple, le revêtement isolant 29 comprend successivement, de l'extérieur vers l'intérieur d'une tranchée, une couche d'oxyde de silicium formée par oxydation thermique, une couche d'oxyde de silicium formée par dépôt chimique en phase vapeur et une couche de 30 nitrure de silicium formée par dépôt chimique en phase vapeur. Comme l'illustre la figure 2B, on élimine tout ce qui a été formé ou déposé sur la couche de masquage 21. Cette élimination peut être effectuée par exemple, par une gravure par polissage mécano-chimique s'arrêtant sur la couche de masquage 35 21. Après quoi, il est effectué une gravure sélective du B13222 - 13-GR3-1220FR01 7 silicium polycristallin 31 jusqu'à ce que la face supérieure, ou sommet, du silicium polycristallin remplissant les tranchées 27 soit à un niveau intermédiaire entre les faces supérieure et inférieure de la couche de masquage 21, par exemple au niveau de la moitié de l'épaisseur de cette couche 21. A titre d'exemple, la face supérieure du silicium polycristallin est disposée à 30 nm au-dessus de la surface supérieure du substrat pour une couche d'oxyde 25 d'une épaisseur de 7 nm et une couche de masquage 21 d'une épaisseur de 100 nm. Après cela, comme l'illustre la figure 2C, on forme un bouchon d'oxyde 33 à partir d'une portion supérieure du silicium polycristallin 31. La formation du bouchon d'oxyde 33 est effectuée par oxydation thermique. Les conditions de l'oxydation thermique sont choisies de sorte que la surface inférieure du bouchon d'oxyde 33 soit sensiblement au niveau de la surface supérieure du substrat 3, de préférence en dessous de la surface supérieure du substrat. A titre d'exemple, l'épaisseur du bouchon d'oxyde 33 est comprise entre 50 et 80 nm, par exemple 70 nm. La figure 2D représente la structure de la figure 2C après élimination sélective de la couche de masquage 21 et de la couche d'oxyde 25. On peut ensuite, comme cela est illustré par la figure 2E, former une couche d'isolant de grille 35 puis des couches conductrices sur la surface exposée de la structure représentée en figure 2D, des étapes de masquage et de gravure permettant de ne laisser en place qu'une portion des couches conductrices pour former une grille 37. La grille 37 s'étend entre les tranchées 27, chaque extrémité de la grille 37 étant disposée au-dessus un bouchon d'oxyde 33 d'une tranchée 27. A titre d'exemple, la couche d'isolant de grille 35 est une couche d'oxyde de silicium formée par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur. L'épaisseur de la couche d'isolant de grille 35 peut être comprise entre 3 et 10 nm, par exemple 5 nm. B13222 - 13-GR3-1220FR01 8 En raison de la présence du bouchon d'oxyde, il existe une épaisseur importante d'oxyde thermique 33 entre la grille 37 et le silicium polycristallin 31 remplissant les tranchées 27. La capacité parasite entre le silicium polycristallin 31 et la 5 grille 37 est donc fortement réduite par rapport au cas de la figure 1 dans lequel les bouchons d'oxyde 33 n'existent pas. En outre, les bouchons d'oxyde 33 permettent de supprimer le risque de court-circuit entre le matériau conducteur, ici du silicium polycristallin dopé 31, et la grille conductrice 37, provoqué 10 par d'éventuelles fissures de l'isolant de grille au niveau des coins supérieurs des bouchons d'oxyde. Les figures 3A et 3B illustrent une variante des étapes de fabrication du bouchon d'oxyde 33 formé au sommet d'une tranchée DTI 27. 15 La figure 3A représente une structure similaire à celle de la figure 2A à la différence que le silicium polycristallin 31 a été gravé de préférence sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure du substrat 3, de préférence en dessous de la surface supérieure du substrat. 20 Comme l'illustre la figure 3B, cette étape de gravure sélective du silicium polycristallin est suivie du dépôt d'une couche d'oxyde de silicium 39 sur la surface exposée de la structure, par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur. L'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium 39 est choisie de sorte que 25 l'oxyde de silicium 39 formé au-dessus du silicium polycristallin 31 atteigne au moins la surface supérieure de la couche de masquage 21. La structure représentée en figure 2C est ensuite obtenue en éliminant l'oxyde de silicium 39 formé au-dessus de 30 la couche de masquage 21, par exemple par polissage mécano-chimique s'arrêtant sur la couche de masquage 21, de sorte qu'il reste un bouchon d'oxyde 33 dont la face supérieure est au-dessus de la surface supérieure du substrat 3 et dont la face inférieure est sensiblement au niveau de la surface supérieure B13222 - 13-GR3-1220FR01 9 du substrat, de préférence en dessous de la surface supérieure du substrat. Les figures 4A à 4E sont des vues en coupe schématiques illustrant des étapes permettant la fabrication simultanée de tranchées STI et DTI. Dans ces figures, de mêmes éléments que ceux décrits en relation avec les figures 2A à 2E sont désignés par de mêmes références. La figure 4A représente une tranchée isolée DTI 27 dans un substrat 3 à l'étape décrite en relation avec la figure 2C, c'est-à-dire après avoir formé un bouchon d'oxyde 33 au-dessus du sommet du silicium polycristallin 31 remplissant la tranchée. La figure 4B représente la structure de la figure 4A revêtue d'une couche d'oxyde de silicium 43 surmontée d'une couche photosensible 45, par exemple une couche de résine. Une tranchée 47 de type STI, moins profonde que la tranchée 27, a été gravée par photolithogravure à travers les couches 45, 43, 21 et 25, et pénètre dans le substrat 3. La couche d'oxyde 43 est réalisée par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur utilisant un précurseur tel que le TEOS (tétraéthylorthosilicate). L'épaisseur de la couche d'oxyde 43 peut être comprise entre 25 et 75 nm, par exemple 50 nm. La tranchée 47 pénètre dans le substrat sur une profondeur pouvant être comprise entre 0,1 et 1 pin, par exemple 0,3 um. La figure 4C représente la structure de la figure 4B après dépôt d'une couche d'un matériau isolant 49 pour remplir la tranchée STI 47. Cette étape de remplissage est suivie d'une planarisation de la structure jusqu'au niveau de la face supérieure du bouchon d'oxyde 33. L'étape de planarisation effectuée par polissage mécano-chimique permet de mettre la face supérieure du matériau isolant 49 remplissant la tranchée 47 au niveau de la face supérieure du bouchon d'oxyde 33 de la tranchée 27. A titre d'exemple, le matériau isolant 49 est de B13222 - 13-GR3-1220FR01 10 l'oxyde de silicium formé par exemple, par dépôt chimique en phase vapeur. La figure 4D représente la structure de la figure 4C après gravure des couches de masquage 21 et d'oxyde de silicium 25. Après cette étape, le bouchon d'oxyde 33 et le matériau isolant 49 dépassent au-dessus du substrat 3 d'une même hauteur pouvant être comprise entre 5 et 50 nm, par exemple 25 nm. La figure 4E représente la structure de la figure 4D après dépôt d'une couche d'isolant de grille 35 et de couches conductrices, des étapes de masquage et de gravure permettant de ne laisser en place qu'une portion des couches conductrices pour former une grille 37. La grille s'étend entre les tranchées DTI 27 et STI 47 et comprend une extrémité disposée sur le bouchon d'oxyde 33 de la tranchée DTI 27 et une extrémité disposée sur le matériau isolant 49 de la tranchée STI 47. Le procédé décrit en relation avec les figures 4A à 4E permet que les faces supérieures du bouchon d'oxyde 33 d'une tranchée DTI 27 et de l'isolant 49 d'une tranchée STI 47 soient au même niveau. Par ailleurs, les tranchées DTI 27 étant réalisées avant les tranchées STI 47, lorsque l'oxyde de silicium du bouchon 33 est formé par oxydation thermique comme cela est décrit en relation avec la figure 2C, ce procédé de fabrication permet d'éviter que l'oxyde 49 d'une tranchée STI s'étende lors de l'oxydation thermique. Des modes de réalisation particuliers ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, bien que l'on ait décrit en relation avec la figure 2A un revêtement isolant 29 comprenant une couche d'oxyde de silicium thermique, une couche d'oxyde déposée et une couche de nitrure, d'autres couches en d'autres matériaux isolants pourront être utilisées pour former le revêtement isolant 29. De plus, bien que le procédé ait été décrit dans le 35 cadre d'un substrat massif de silicium monocristallin, d'autres B13222 - 13-GR3-1220FR01 11 matériaux semiconducteurs, par exemple du silicium-germanium, ou d'autres substrats, par exemple des substrats de type SOI, pourront être utilisés. D'autres matériaux que le nitrure de silicium pourront 5 être choisis pour la couche de masquage 21. Ces autres matériaux seront choisis pour qu'ils soient gravables sélectivement par rapport à l'oxyde de silicium et que le silicium polycritallin soit gravable sélectivement par rapport à ces matériaux. Plus généralement, les épaisseurs et les matériaux des diverses 10 couches indiqués précédemment à titre d'exemple pourront être adaptés par l'homme de l'art. Le procédé de fabrication décrit en relation avec les figures 2A à 2E, 3A, 3B et 4A à 4E pourra être adapté par l'homme de l'art. En particulier, des étapes pourront être 15 ajoutées, supprimées ou modifiées. Par exemple, on pourra former par implantation une zone dopée le long des parois externe d'une tranchée 27 avant que la tranchée ne soit remplie de silicium polycristallin. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une tranchée d'isolement comprenant les étapes successives suivantes : a) former, sur un substrat semiconducteur (3), une première structure de masquage (25, 21) comprenant une couche (21) d'un premier matériau gravable sélectivement, et graver une tranchée (27) dans le substrat ; b) former un revêtement isolant (29) sur les parois de la tranchée et remplir la tranchée de silicium polycristallin dopé (31) ; c) former un bouchon d'oxyde de silicium (33) pénétrant dans la tranchée sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure du substrat et dépassant au-dessus de la surface supérieure du substrat ; et d) éliminer la couche du premier matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le bouchon d'oxyde (33) pénètre dans la tranchée (27) jusqu'en dessous de la surface supérieure du substrat (3). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape c) comprend les étapes successives suivantes : cl) graver sélectivement le silicium polycristallin (31) de sorte qu'une portion supérieure du silicium polycristallin atteigne un niveau intermédiaire de l'épaisseur de la couche du premier matériau ; et c2) procéder à une oxydation thermique pour former 25 ledit bouchon d'oxyde (33) à partir de ladite portion supérieure. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape c) comprend les étapes successives suivantes : c3) graver sélectivement le silicium polycristallin 30 (31) sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure du substrat (3) ; c4) déposer de l'oxyde de silicium (39) de sorte que, au-dessus de la surface supérieure du silicium polycristallin,B13222 - 13-GR3-1220FR01 13 l'oxyde de silicium (39) atteigne au moins la surface supérieure de la couche (21) du premier matériau ; et c5) planariser la surface supérieure de la structure jusqu'à la couche du premier matériau. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le premier matériau est du nitrure de silicium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant en outre, entre les étapes c) et d), les étapes successives suivantes : e) former une deuxième structure de masquage (43, 45) ; f) graver une tranchée moins profonde (47) dans la couche (21) du premier matériau et dans le substrat (3) ; g) déposer un deuxième matériau isolant (49) pour 15 remplir ladite tranchée moins profonde ; et h) planariser la surface supérieure de la structure jusqu'au niveau dudit bouchon d'oxyde (33). 7. Procédé selon le procédé l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant en outre, après l'étape d), les 20 étapes successives suivantes : i) découvrir la surface supérieure du substrat (3) ; j) déposer une couche d'isolant de grille (35) puis des couches d'un empilement conducteur de grille sur la surface exposée de la structure ; et 25 k) masquer et graver pour laisser en place la grille (37). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le revêtement isolant (29) comprend une couche d'oxyde de silicium thermique, une couche d'oxyde de silicium 30 déposé et une couche de nitrure de silicium. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le remplissage de la tranchée (27) à l'étape b) est effectué par dépôt d'une couche de silicium polycristallin dopé (31) sur la surface exposée de la structure.B13222 - 13-GR3-1220FR01 14 10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le dépôt de la couche de silicium polycristallin dopé (31) est suivi d'une étape de planarisation de la surface supérieure de la structure jusqu'à la couche (21) du premier matériau. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel ledit deuxième matériau isolant (49) est de l'oxyde de silicium. 12. Structure d'isolement formée dans un substrat semiconducteur (3), la structure d'isolement comprenant : une tranchée (27) pénétrant dans le substrat ; un revêtement isolant (29) recouvrant les parois de la tranchée ; du silicium polycristallin dopé (31) remplissant la tranchée ; et un bouchon d'oxyde de silicium (33) formé au sommet du silicium polycristallin, la face supérieure du bouchon d'oxyde dépassant au-dessus du substrat (3) et la face inférieure du bouchon étant sensiblement au niveau de la surface supérieure du substrat. 13. Structure d'isolement selon la revendication 12, dans lequel la face inférieure du bouchon d'oxyde (33) est en dessous de la surface supérieure du substrat (3). 14. Structure d'isolement selon la revendication 12 ou 13, dans laquelle la tranchée pénètre dans le substrat (3) sur 25 une profondeur supérieure à 2 pin.