Brevet FR3013503A1 — publié le 20150522

La présente invention concerne un procédé de gravure sélective d'un masque déposé sur un substrat. Lors de la fabrication des circuits intégrés sur un substrat par exemple de silicium, une étape d'implantation d'espèces ioniques est nécessaire pour doper localement le substrat et permettre la réalisation de transistors N ou P. Au préalable de cette implantation, les zones du substrat ne devant pas être implantées sont protégées par la formation d'un masque généralement formé de résine. Après implantation de type N ou P en vue de la réalisation de transistors, le sommet de la résine protégeant les zones non implantées se trouve implanté par la même occasion. Afin de finaliser la fabrication des dispositifs, il est ensuite nécessaire de retirer le masque. Or, l'étape de retrait traditionnelle d'une résine par voie sèche ou voie humide n'est pas efficace lorsque la résine a été implantée au préalable. Le masque implanté forme en effet une croûte en surface qui est très difficile à retirer de façon précise et dans des conditions n'endommageant pas les régions du substrat non recouvertes par le masque. Il est alors connu de procéder au retrait du masque en deux étapes. La première étape consiste en un retrait de la croute en surface puis la deuxième étape consiste en un retrait de la résine non implantée sous-jacente. Toutefois, la première étape nécessite l'utilisation d'une chimie de gravure agressive pouvant endommager et consommer le silicium du substrat notamment au niveau de la source et du drain implantés, dégradant ainsi les performances des dispositifs. Une solution décrite par Kurt K. Christenson et al. dans la publication 'All Wet stripping Of Implanted Photoresist', 8th International Symposium on Ultra Clean Processing of Semiconductor Surfaces UCPSS, 2006, utilise une solution chimique nommée Piranha comprenant un mélange de H2SO4 et de H202. Les inconvénients de cette méthode résident en ce que cette solution chimique montre une réactivité relativement lente vis à vis de la résine implantée et en ce que sa réactivité face à l'oxyde Si02 suggère un risque d'endommagement important d'un substrat en silicium. Une alternative à cette méthode consiste à effectuer une gravure par voie sèche comprenant une étape de gravure par plasma de CF4/02 suivie d'une étape de gravure par plasma N2/02 généré par micro onde à température élevée. La encore, l'endommagement du substrat de silicium non recouvert par le masque lors de la première gravure est tel qu'il n'est pas possible de précisément contrôler l'endommagement des zones de silicium dopées N et P. La présente invention vise à pallier ces inconvénients et propose à cet effet un procédé de gravure sélective d'un masque en matériau carboné disposé sur un substrat silicié, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : a) Fournir un substrat silicié comportant une première portion recouverte par le masque en matériau carboné et une seconde portion dopée, le masque comportant en surface une couche de surface comprenant des espèces ioniques implantées et une couche sous-jacente libre d'espèces ioniques implantées, b) Exposer la couche de surface et la seconde portion à un plasma de SiCI4 et de Cl2 de sorte à déposer une couche d'oxyde de silicium SiOx sur la seconde portion et à graver la couche de surface, c) Graver la couche sous-jacente de sorte à exposer la première portion, et d) Graver la couche d'oxyde de silicium SiOx déposée de sorte à exposer la seconde portion. Ce procédé permet ainsi de retirer sélectivement le masque de façon contrôlée, sans endommager le substrat silicié, notamment ses zones dopées. En effet, la gravure de la couche de surface implantée du masque est réalisée en même temps que la couche d'oxyde de silicium SiOx (0 Par ailleurs, la seconde portion du substrat silicié peut comprendre des précurseurs de fabrication de dispositifs électroniques. Typiquement, le masque en matériau carboné est constitué d'une résine carbonée, telle qu'une résine époxy, ou du SoC (acronyme anglais Spin on Carbon) et le substrat silicié est constitué de silicium, de nitrure de silicium, d'oxyde de silicium, de SiC, de SiGe ou tout autre matériau comportant du silicium. Un tel masque est en effet peu coûteux. Il est par ailleurs facile à former par dépôt d'une couche en matériau carboné, puis par formation de motifs exposant la seconde portion du substrat silicié permettant un dopage local par implantation d'espèces ioniques. Selon une possibilité, l'étape b) consiste à graver partiellement la couche de surface et le procédé comprend entre l'étape b) et l'étape c) une étape b1) consistant à graver par plasma fluoré la portion de couche de surface résiduelle, de préférence par plasma fluoré et notamment par plasma de CF4 ou de SF6. La couche sous jacente du masque est alors exposée et l'étape c) peut être réalisée. En effet, une fois obtenue l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium nécessaire pour protéger le substrat silicié lors de toutes les étapes ultérieures de gravure du masque, il est possible de modifier les conditions de gravure de la couche de surface. Le plasma fluoré permet notamment d'accélérer la gravure de la couche de surface implantée tout en amorçant le retrait d'une partie de la couche d'oxyde déposée. De préférence, la gravure par plasma fluoré de l'étape b1) comprend en outre de l'oxygène. La présence de l'oxygène augmente en effet la vitesse et la sélectivité de la gravure de la couche de surface implantée vis à vis de la couche d'oxyde de silicium déposée. Avantageusement, le plasma utilisé à l'étape b) est obtenu par un débit de SiCI4 compris entre 20 à 200 cm3/min, de préférence compris entre 80cm3/min et 120 cm3/min et un débit de Cl2 inférieur à 20 cm3/min, de préférence compris entre 5 et 15 cm3/min. Ces conditions permettent en effet la gravure de la couche de surface tout en favorisant le dépôt de la couche d'oxyde de silicium et évitant une gravure du silicium du substrat silicié. Lorsque le substrat silicié est en silicium, le masque en résine carbonée et que les espèces ioniques dérivées de l'arsenic sont implantées à 60 nm de profondeur dans la résine, le débit de SiCI4 est de préférence d'environ 95cm3/min et le débit de Cl2 est de préférence d'environ 10 cm3/min. De préférence, le plasma utilisé à l'étape b) est obtenu dans un réacteur de gravure paramétré pour fournir une puissance inférieure à 300 W. Au-delà, le dépôt de la couche d'oxyde de silicium a également lieu sur la couche de surface du masque. De préférence encore et dans le cas d'une résine carbonée, la puissance utilisée de la source du réacteur de gravure est inférieure à environ 5 250W. De façon optimale, l'étape b) est réalisée dans un réacteur de gravure paramétré pour appliquer au substrat silicié une tension de polarisation comprise entre 100 et 200V et de préférence une tension de polarisation comprise entre 120V et 150V. Ces conditions contrôlent de façon optimisée 10 l'énergie des ions de sorte à favoriser le dépôt de la couche d'oxyde de silicium et à accélérer la gravure de la couche de surface. De préférence encore pour l'exemple mentionné ci dessus, la tension de polarisation est d'environ 130V. Selon une disposition, l'étape c) est réalisée par plasma d'un 15 mélange d'azote et d'hydrogène, notamment par plasma généré avec une fréquence choisie parmi les micro-ondes. Ces conditions permettent d'obtenir une très bonne sélectivité de gravure de la couche sous-jacente vis à vis de la couche d'oxyde de silicium déposée. Selon une possibilité, l'étape d) est réalisée par voie humide, 20 notamment avec une solution diluée d'HF. Cette gravure permet de retirer efficacement l'oxyde de silicium sans endommager ni consommer le substrat silicié. Avantageusement, les étapes b), c) et/ou bl) sont réalisées dans la même enceinte d'un réacteur de gravure, le réacteur de gravure étant du type 25 réacteur de gravure plasma à couplage capacitif ou à couplage inductif. Il n'est donc pas nécessaire de déplacer le substrat d'un réacteur à un autre pour réaliser le retrait sélectif du masque. Selon une disposition, l'étape a) comprend au préalable une étape al ) consistant à former le masque sur la première portion du substrat silicié 30 puis une étape a2) consistant à implanter des espèces ioniques dans la seconde portion du substrat silicié et dans le masque de sorte à former la couche de surface. L'étape d'implantation des espèces ioniques permettent de doper la seconde portion du substrat n'ayant pas été recouverte par le masque, de sorte 35 notamment à y former des transistors N et P. Le masque recouvrant la première portion reçoit les espèces ioniques implantées à la place de la première portion du substrat qui reste libre espèces ioniques implantées. Les propriétés électriques de la première portion du substrat restent alors inchangées. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention 5 apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Par ailleurs, le mode de réalisation est illustré en relation avec la fabrication de 10 transistors. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques. La figure 1 illustre une vue en coupe schématique d'un substrat recouvert d'un masque selon l'étape a) du procédé selon un mode de 15 réalisation de l'invention. La figure 2 illustre une vue en coupe schématique de l'étape b) de gravure du procédé selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 3 illustre une vue en coupe schématique de l'étape b1) de gravure du procédé selon un mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 4 illustre une vue en coupe schématique de l'étape c) de gravure du procédé selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 5 illustre une vue en coupe schématique de l'étape d) de gravure du procédé selon un mode de réalisation de l'invention. Comme illustré à la figure 1 (étape a), le substrat silicié 100 25 présente une première portion 1 recouverte d'un masque 8 et une seconde portion 2 dopée par des espèces ioniques implantées. Le substrat silicié 100 est un substrat de silicium mais peut être constitué de tout matériau à base de silicium, tel que du nitrure de silicium, de l'oxyde de silicium, du SiC ou du SiGe. Les espèces ioniques proviennent de l'arsenic, bien que toute nature 30 d'espèces ioniques adaptées au dopage du substrat silicié 100 peut être utilisée. Elles ont été implantées par exemple avec une dose de 5E15 at/cm2 avec une énergie de 12keV et selon un angle de 200 de sorte à implanter les espèces ioniques sous la grille. La seconde portion 2 du substrat silicié 100 représentée comprend à titre d'exemple un premier transistor 200 de type MOS 35 pour lesquels les zones dopées 3 forment la source et le drain. Le transistor 200 comprend également un oxyde de grille 4, une grille 5 protégée par un masque dur 6 et des espaceurs latéraux 7, isolant la source et le drain 3. A titre d'exemple également et sans départir du cadre de l'invention la première portion 1 du substrat 100 comprend un second transistor 300 protégé par le masque 8 pour ne pas être soumis à l'implantation d'espèces ioniques. Ce 5 second transistor comprend un oxyde de grille 4, une grille 5 protégée par un masque dur 6 et des espaceurs latéraux 7. Il est entendu dans le présent document que tout autre dispositif électronique dont la fabrication nécessite l'implantation d'espèces ioniques dans le substrat silicié 100 peut être prévu à la place du premier transistor 200 MOS. De même, tout autre dispositif devant 10 être protégé de l'implantation peut être prévu à la place du second transistor 300. Le substrat silicié 100 a notamment été obtenu après formation d'un masque 8 sur la première portion 1 (étape al ) et dans lequel une implantation d'espèces ioniques dopantes (étape a2) a été réalisée. Ce 15 masque 8 selon l'invention est constitué d'un matériau carboné, tel qu'une résine carbonée, mais tout autre matériau adapté pour servir de masque vis-à-vis d'une implantation d'espèces ioniques peut être utilisé. Au niveau de la première portion 1, les espèces ioniques sont implantées dans le masque 8 formant ainsi une couche de surface 9 contenant les espèces ioniques. Cette 20 couche de surface 9 délimite une couche sous-jacente 11 plus profonde dans le masque 8 et qui ne contient pas ou très peu d'espèces ioniques implantées. Au niveau de la seconde portion 2 du substrat silicié 100, les espèces ioniques sont implantées dans le substrat silicié 100. Elles permettent d'obtenir un dopage localisé dans le substrat permettant de former des fonctionnalités pour 25 des composants ultérieurs. Dans l'exemple illustré, ce dopage forme la source et le drain 3 du premier transistor 200. Comme illustré à la figure 2 (étape b), la couche de surface 9 du masque 8 est partiellement gravée par plasma d'un mélange de SiCI4 et de C12. Dans le même temps, une couche d'oxyde de silicium 12 (Si0x) est déposée 30 sur la première portion 1 du substrat silicié 100. Dans l'exemple particulier comportant un transistor 200, les espaceurs 7 et le masque dur 6 sont également recouvert de la couche d'oxyde de silicium 12. Les conditions de l'exposition au plasma peuvent varier selon les matériaux et épaisseurs considérées. Le débit de SiCI4 peut être réglé entre 20 et 200 cm3/min et de 35 préférence entre 80 à 120 cm3/min. Le débit de Cl2 est réglé à une valeur inférieure à 20 cm3/min et de préférence entre 5 à 15 cm3/min. Dans le cas particulier d'un substrat de silicium et d'une résine carbonée tel que décrit ci dessus, le débit de SiCI4 et de Cl2 sont respectivement réglés à environ 95 cm3/min et à environ 10 cm3/min. La durée de cette étape peut varier entre environ 15 secondes et 2 min. Par exemple, pour une durée d'application du plasma sur 30 secondes, la couche d'oxyde 12 déposée est d'environ 5 mm, cette épaisseur augmente linéairement en fonction de la durée. De la même façon, l'épaisseur de la couche de surface 9 gravée augmente linéairement avec le temps. Elle est par exemple gravée sur 3 nanomètres en 30 secondes. Par ailleurs, le réacteur de gravure à plasma du type à couplage inductif ou de couplage capacitif, présente une source réglée pour fonctionner à une puissance inférieure à 300W, et de préférence à une puissance d'environ 250 W. Le générateur du réacteur est également réglé pour produire une tension de polarisation (bias voltage) dans une gamme comprise entre 100 et 200V et de préférence comprise entre 120 et 150V et de préférence dans le cas particulier décrit ci-dessus une tension d'environ 130V. Une fois l'épaisseur de la couche d'oxyde de silicium 12 déposée suffisante, le plasma de gravure est modifié pour accélérer le retrait de la couche de surface 9 (figure 3 - étape b1). Un plasma fluoré est alors utilisé sans changer d'enceinte du réacteur de gravure. Le plasma fluoré appliqué peut être choisi à base de CF4 ou de SF6/Ar. Par exemple, le plasma fluoré peut être obtenu avec un débit de 50 cm3/min de CF4 pour un débit de 500 cm3/min d'Ar une pression de 10 mtorr et une puissance de 1200W. Dans ces conditions et selon l'exemple précité, la vitesse de gravure de la couche d'oxyde 12 est d'environ 38 nm/min et celle du masque 8 est d'environ 150 nm/min. Dans le cas d'un débit de 35 cm3/min de SF6 pour un débit de 500 cm3/min d'Ar et avec une pression de 10 mtorr et une puissance de 1200 W la vitesse de gravure de la couche d'oxyde 12 est d'environ 56 nm/min et celle du masque 8 est d'environ 120 nm/min. Pour accélérer la vitesse de gravure de la portion de couche de surface 9 résiduelle et augmenter la sélectivité de gravure vis-à-vis de l'oxyde de silicium, de l'oxygène peut être ajouté aux chimies précédentes par exemple avec un débit de 200 cm3/min. Dans ce cas, avec un plasma à base de SF6/Ar, la vitesse de gravure de la couche d'oxyde 12 est d'environ 33 nm/min et celle du masque 8 est d'environ 407 nm/min. Avec un plasma à base de CF4/Ar et l'oxygène, la vitesse de gravure de la couche d'oxyde 12 est réduite à environ 17 nm/m in et la gravure du masque 8 atteint environ 407 560 nm/min. Selon une variante de réalisation, la gravure selon l'étape b) 5 utilisant un plasma d'un mélange de SiCI4 et de Cl2 est mise en oeuvre jusqu'au retrait total de la couche de surface 9 implantée. Comme illustré à la figure 4, une gravure selon l'étape c) du procédé est ensuite mise en oeuvre de sorte à retirer la couche sous-jacente 11 correspondant à la portion de masque 8 non implanté. Cette gravure est 10 avantageusement mise en oeuvre dans la même enceinte de gravure que celle utilisée lors de la gravure selon l'étape b) et l'étape b1) lorsque cette dernière est mise en oeuvre. La couche sous-jacente 11 est alors soumise à un plasma de N2/H2 généré par micro-onde. Cette chimie présente une très grande sélectivité de gravure pour la couche sous-jacente 11 vis-à-vis de la couche 15 d'oxyde de silicium 12 déposée sur la seconde portion 2. Cette exposition permet le retrait total de la couche sous-jacente 11 tandis que la couche d'oxyde de silicium 12 est partiellement gravée. Enfin, comme illustré à la figure 5, la couche d'oxyde de silicium 12 est gravée par voie humide en présence d'une solution diluée d'acide HF. 20 Selon l'épaisseur résiduelle de la couche d'oxyde de silicium 12 et le temps de gravure souhaité, la solution d'acide HF est choisie avec une concentration d'acide HF comprise entre 0.1% et 1%. Ainsi, la présente invention apporte une amélioration déterminante à l'état de la technique antérieure en proposant un procédé de gravure 25 sélective d'un masque 8 sur un substrat silicié 100 après implantation de dopants, qui est efficace, rapide et précis. Il en résulte la conservation précise des zones dopées 3 du substrat silicié 100 de sorte que les dispositifs formés à partir de celui-ci sont fiables et présentent une performance améliorée. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de 30 réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons. REVENDICATIONS1. Procédé de gravure sélective d'un masque (8) en matériau carboné disposé sur un substrat silicié (100), caractérisé en ce qu'il comprend 5 les étapes consistant à: a) Fournir un substrat silicié (100) comportant une première portion (1) recouverte par le masque (8) en matériau carboné et une seconde portion (2) dopée, le masque (8) comportant en surface une couche de surface (9) comprenant des espèces 10 ioniques implantées et une couche sous-jacente (11) libre d'espèces ioniques implantées, b) Exposer la couche de surface (9) et la seconde portion (2) à un plasma de SiCI4 et de Cl2 de sorte à déposer une couche d'oxyde de silicium (12) SiOx sur la seconde portion (2) et à 15 graver la couche de surface (9), c) Graver la couche sous-jacente (11) de sorte à exposer la première portion (1), et d) Graver la couche d'oxyde de silicium (12) SiOx déposée de sorte à exposer la seconde portion (2). 20 2. Procédé de gravure sélective selon la revendication 1, dans lequel le masque (8) en matériau carboné est constitué d'une résine carbonée, telle qu'une résine époxy, ou de Spin on Carbon (SoC) et dans lequel le substrat silicié (100) est constitué de silicium, de nitrure de silicium, d'oxyde de 25 silicium, de SiC, de SiGe ou tout autre matériau comportant du silicium. 3. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel l'étape b) consiste à graver partiellement la couche de surface (9) et dans lequel le procédé comprend entre l'étape b) et l'étape c) une étape 30 b1) consistant à graver par plasma fluoré la portion de couche de surface (9) résiduelle, de préférence par plasma fluoré et notamment par plasma de CF4 ou de SF6. 4. Procédé de gravure sélective selon la revendication 3, dans 35 lequel plasma fluoré de l'étape b1) comprend en outre de l'oxygène. 5. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le plasma utilisé à l'étape b) est obtenu par un débit de SiCI4 compris entre 20 à 200 cm3/min et un débit de Cl2 inférieur à 20 cm3/min. 6. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le plasma utilisé à l'étape b) est obtenu dans un réacteur de gravure paramétré pour fournir une puissance inférieure à 300 W. 7. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'étape b) est réalisée dans un réacteur de gravure paramétré pour appliquer au substrat silicié (100) une tension de polarisation comprise entre 100V et 200V et de préférence une tension de polarisation comprise entre 120V et 150V. 8. Procédé de gravure sélective selon la revendication 1 à 7, dans lequel l'étape c) est réalisée par plasma d'un mélange d'azote et d'hydrogène, notamment par plasma généré avec une fréquence choisie parmi les micro-ondes. 9. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'étape d) est réalisée par voie humide, notamment avec une solution diluée d'HF. 10. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 25 à 9, dans lequel les étapes b), c) et/ou bl ) sont réalisées dans la même enceinte d'un réacteur de gravure, le réacteur de gravure plasma étant du type réacteur de gravure plasma à couplage capacitif ou à couplage inductif. 11. Procédé de gravure sélective selon l'une des revendications 1 30 à 10, dans lequel l'étape a) comprend au préalable une étape al) consistant à former le masque (8) sur la première portion (1) du substrat silicié (100) puis une étape a2) consistant à implanter des espèces ioniques dans la seconde portion (2) du substrat silicié (100) et dans le masque (8) de sorte à former la couche de surface (9). 35