EP4169057A1 - Procédé de réalisation d'une couche sur certaines surfaces seulement d'une structure - Google Patents

Procédé de réalisation d'une couche sur certaines surfaces seulement d'une structure

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EP4169057A1
EP4169057A1 EP21733826.8A EP21733826A EP4169057A1 EP 4169057 A1 EP4169057 A1 EP 4169057A1 EP 21733826 A EP21733826 A EP 21733826A EP 4169057 A1 EP4169057 A1 EP 4169057A1
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EP
European Patent Office
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plasma
peald
layer
cycles
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
EP21733826.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Marceline Bonvalot
Christophe Vallee
Taguhi YEGHOYAN
Nicolas Posseme
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
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    • H10P14/3402—Deposited materials, e.g. layers characterised by the chemical composition

Definitions

  • the present invention relates to a microelectronic method of producing a layer on only certain surfaces of a structure.
  • the invention finds many applications in the field of microelectronics. It could for example be implemented for the production of engraving masks. It will also be advantageous for producing transistors by implementing manufacturing processes with sacrificial gates (usually referred to by the English term “spoil last” processes).
  • FIG. 1A illustrates an example of a substrate 100, the topology of which forms grooves 101 or trenches.
  • This substrate 100 thus has horizontal surfaces 110 located on the top 111 and in the bottom 112 of the grooves 101. It also has vertical surfaces 120 on the walls of the grooves 101. It may be useful to form a layer 200 on the horizontal surfaces. 110 only and leaving vertical surfaces
  • the result of the full plate deposition step is illustrated in Figure 1B.
  • the layer 200, deposited in a conformal manner has regions 210, 211, 212 surmounting the horizontal surfaces 110, 111, 112 and regions 220 surmounting the vertical surfaces 120.
  • This deposition step can for example be carried out by atomic layer deposition ( ALD), possibly assisted by plasma (PEALD).
  • ALD techniques are based on a self-limiting growth process in which the material is deposited layer by layer. It is thus possible to design nanoscale films with good compliance.
  • the ALD technique consists of sequentially injecting into the reaction chamber of a reactor a first precursor of a first reagent and then a second precursor of a second reagent.
  • the first gaseous precursor is metallic, metalloid or lanthanide which does not react with itself.
  • the second gaseous reagent reacts with the first adsorbed reagent to allow reactivation of the adsorption of the first precursor during the next alternation.
  • Figure 3 illustrates different steps of an example of cycle 1 of ALD deposition.
  • a first step 10 consists in injecting the first reagent which reacts by chemisorption with the exposed surface of the substrate.
  • a purge step 20 is then performed to remove the portion of the unreacted first reagent as well as the reaction products.
  • the second reagent is injected which reacts by chemisorption with the first adsorbed reagent.
  • a purge step 40 is then carried out to remove the second unreacted reagents as well as the reaction products.
  • the second reagent is generated by a plasma.
  • Step 30 then comprises a step 31 of injecting the second reagent and stabilizing the species present, then a step 32 of forming a plasma. To obtain a layer of desired thickness, this cycle 1 is repeated as many times as necessary. In FIG. 3, the dotted arrow and the number N illustrate this iterative character and the number of cycles performed.
  • lithography techniques include numerous steps to form one or more masks, ultimately making it possible to mask the horizontal surfaces and expose the vertical surfaces.
  • the layer to be produced is then etched through the mask to remove the regions 220 located on the vertical surfaces 120 of the substrate while retaining the regions 210, 211, 212 of layer 200 covering the horizontal surfaces 110, 111, 112. The result illustrated in FIG. 2 is then obtained.
  • An object of the present invention is to meet at least one of these needs.
  • an object of the present invention is to provide a solution for improving the precision of known solutions.
  • a sequence for forming an initial layer by plasma assisted atomic layer deposition (PEALD) on the front face of the structure comprising a plurality of cycles, each cycle comprising at least: an injection of a first precursor in a reaction chamber of a reactor containing the structure, injection of a second precursor into the reaction chamber and the formation in the reaction chamber of a plasma, called a deposition plasma, so as to form at each cycle , on said first and second surfaces of the structure, a film forming a portion of said initial layer.
  • PEALD plasma assisted atomic layer deposition
  • the cycles are carried out at a temperature T cyc ie such that T C ycie £ (T m in - 20 ° C), T min being the minimum temperature of a nominal window (F T ) of temperatures for a PEALD deposit from the first and second precursors.
  • the method comprises at least one step of exposing the initial layer, formed or being formed by PEALD, to a plasma, called a densification plasma, during which a non-zero polarization is applied to the structure so as to give a preferred direction to a flow of ions generated by the densification plasma.
  • This privileged direction being oriented so that at least a surface portion of the initial layer, deposited or in the course of formation by PEALD, presents: o first regions, covering the first surfaces of the structure and which are exposed to the flow of ions of the densification plasma, o second regions, covering the second surfaces of the structure and which are not exposed to the flow of ions from the densification plasma.
  • the densifying plasma is configured such that exposure to the ion flux of the densifying plasma makes the material of the first regions more resistant to etching than the material.
  • the polarization is configured such that exposure to the ion flux of the densifying plasma gives the material of the first regions a density greater than the density of the material of the second regions and / or a level of impurities lower than a level d. impurities of the material of the second regions. Thanks to this control of the polarization of the substrate, the energy of the ions which arrive on the exposed surface of the substrate is perfectly controlled, which makes it possible to densify it.
  • the application of a bias voltage V iaS-substrate to the substrate makes it possible to increase the energy of the ions of the plasma in a controlled manner and independent of the voltage V piaSma induced by the source used to generate the nitrogen-based plasma .
  • the efficiency of the plasma treatment can thus be modulated in a controlled manner to further improve the properties of the interface obtained.
  • the electrical performance of the component is therefore improved.
  • the method also comprises, at the end of the step of exposing the initial layer, formed or being formed by PEALD, to the densification plasma, at least one step of selective etching of the second regions vis-à-vis. of the first regions.
  • the initial layer covers the first surfaces of the front face of the structure, leaving the second surfaces exposed.
  • the proposed method provides for performing PEALD cycles at a temperature below the temperature of the nominal window. The deposit resulting from these cycles therefore has a deteriorated quality compared to a deposit made in the nominal window.
  • the densification plasma assisted by polarization of the substrate is oriented so as to expose only the first surfaces of the substrate, which makes it possible to cover the latter with a thin portion of layer which has a very good quality.
  • a significant improvement in chemical purity, stoichiometry and density of the deposited layer is observed in these regions exposed to polarization plasma.
  • the layer deposited by PEALD therefore has:
  • the second surfaces are then more sensitive to etching, allowing their removal while retaining the good quality surface film on the first surfaces.
  • the proposed process thus allows selective deposition on only certain surfaces of the substrate, without having to resort to conventional lithography techniques involving the successive positioning of masks.
  • the proposed method allows to considerably improve the precision of the patterns of this layer selectively deposited on only certain surfaces of the substrate. Moreover, it makes it possible to reduce the duration and the cost compared with the processes requiring subsequent lithography steps. This process makes it possible, for example, to produce etching masks with very good precision.
  • the proposed process makes it possible to deposit a wide variety of materials to form a layer based on nitride or sulphide oxide.
  • the known solutions of PEALD do not make it possible to deposit such varied materials, selectively on certain surfaces and with a satisfactory quality of the layer obtained. This is for example the case with the deposition of HF0 2 .
  • FIGS. 1A and 1B illustrate a starting structure of the 3D substrate type, and an intermediate structure making it possible to obtain a desired structure illustrated in FIG. 2.
  • FIG. 1B illustrates the conformal deposit obtained on a starting 3D structure.
  • Figure 2 illustrates an example of the final structure obtained after implementation of the method according to the invention. Only horizontal surfaces are covered, while vertical surfaces are exposed.
  • Figure 3 schematically represents a typical cycle of a PEALD deposit.
  • FIG. 4 is a graph illustrating the nominal temperature window to be applied to a PEALD cycle in order to obtain satisfactory growth in terms of the quality of the layer obtained (stoichiometry, density and chemical purity). This graph also illustrates the harmful consequences on growth when the temperature applied to the PEALD cycle is outside this nominal window.
  • FIG. 5 schematically represents a method according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Figure 6 schematically illustrates the structure obtained after repeating several cycles illustrated in Figure 5, and before the selective etching step.
  • FIG. 7 schematically represents a method according to a second exemplary embodiment of the present invention. This figure shows that this method comprises a first sequence of PEALD cycles without bias voltage applied to the substrate, then a second sequence of PEALD cycles with bias voltage applied to the substrate in order to densify the surface portion of the deposited layer.
  • FIG. 8 schematically illustrates the structure obtained after implementation of the cycles illustrated in Figure 7, and before the selective etching step.
  • FIG. 9 schematically represents a method according to a third exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 schematically represents an alternative embodiment, in which a structure is inclined with respect to a flow of ions generated by a plasma.
  • FIG. 11 illustrates a diagram of an example of a plasma reactor which can be used to implement the invention.
  • the drawings are given by way of example and do not limit the invention. They constitute schematic representations of principle intended to facilitate understanding of the invention and are not necessarily on the scale of practical applications. In particular, the thicknesses of the various layers and films are not representative of reality.
  • the step of exposing the initial layer to the densification plasma is carried out at each cycle of the sequence for forming the initial layer by PEALD, the deposition plasma being the densification plasma.
  • the portion densified by the plasma extends over the entire thickness of the initial layer.
  • This embodiment has the advantage of forming a very good quality layer on the first surfaces while facilitating the removal of the layer deposited on the second surfaces. The performance of the device incorporating this layer is therefore improved.
  • the step of exposing the initial layer to the densification plasma is carried out only during the last N B cycles of the sequence of formation of the initial layer by PEALD, the deposition plasma being the densification plasma during these N B last cycles, the total number of cycles of the sequence is equal to N A + N B , N A and N B being undamaged integers.
  • N B 1.
  • the plasma densified film extends over only a portion of the thickness of the initial layer.
  • This densified film extends from the free side of the diaper and therefore covers the diaper. It does not extend to the full thickness of the layer deposited by PEALD.
  • This embodiment has the advantage of forming a good quality layer on the first surfaces while facilitating the removal of the layer deposited on the second surfaces.
  • the method comprises a plurality of sequences, each sequence comprising N B steps of exposure of the initial layer to the densification plasma.
  • each sequence comprising N B steps of exposure of the initial layer to the densification plasma.
  • PEALD cycles without polarization and N B cycles with polarization are alternated.
  • the step of exposing the initial layer to the densification plasma is carried out only after the sequence of formation of the initial layer by PEALD.
  • the densification plasma can be applied in a different reactor from that used to perform the PEALD cycles without polarization.
  • the densification plasma therefore leads to the formation of a film on the initial layer already formed by PEALD.
  • This embodiment has the advantage of being able to be carried out ex situ, for example in a CCP etching reactor (capacitive coupling plasma reactor).
  • This embodiment can therefore be implemented when no polarization kit is permanently installed on the PEALD reactor. This embodiment therefore imposes fewer constraints on the necessary equipment.
  • the method comprises a plurality of sequences, each sequence comprising N A PEALD deposition steps, preferably without polarization, then these sequences are followed by a step of exposing the initial layer to the densification plasma.
  • PEALD cycles without polarization and at least one step of exposure to a plasma with polarization are alternated.
  • the cycles are carried out at a temperature T cyc ie less than 100 ° C, preferably less than 80 ° C, preferably less than 50 ° C.
  • the cycles are carried out at a temperature T cyc ie equal to ambient temperature.
  • the reactor is not heated by a heating device during the implementation of the method. These temperatures make it possible to further enhance the efficiency of the process by facilitating the removal of the layer covering the second surfaces of the front face of the structure. The use of such low temperatures is perfectly counterintuitive for those skilled in the art.
  • the cycles are carried out at a temperature T cyc ie such that: T cycle— (T min - 50 ° C), preferably T cyC ie £ (Tmin - 100 ° C).
  • T cyc ie may be less than or equal to 80 ° C, preferably less than or equal to 70 ° C, and preferably less than or equal to 50 ° C. This means that the reactor in which the process steps are implemented is not heated by heating means.
  • T cyc ie is equal to ambient temperature.
  • T cyc ie and T min are in degrees Celsius (° C).
  • T min is the minimum temperature of the ALD or PEALD window, from which the reaction between the precursor, typically the first precursor, and the substrate is sufficiently thermally activated so that the adsorption reaction can take place in a self-limited manner (and therefore with a constant GPC).
  • the nominal temperature window F T corresponds to the temperature window recommended for carrying out a PEALD deposit from the first and second precursors. This window is typically recommended by the manufacturer of the first precursor. This nominal temperature window is a perfectly usual parameter and is known to those skilled in the art. In the nominal temperature window, the thickness of the film deposited in each PEALD cycle does not vary or does not vary appreciably as a function of the temperature.
  • the nominal window is such that by varying the PEALD deposition temperatures taken in the nominal window, the thickness of the film deposited by the PEALD cycle remains constant. More precisely, it remains almost constant. This means that if inside the nominal window the deposition temperature T cyci e is varied by 10 ° C, the variation in the thickness of the deposited film will be less than or equal to 2%, or even less than or equal to 1 %.
  • the thickness of the film deposited by the PEALD cycle varies significantly as a function of the temperature. For example, outside the nominal window, a temperature variation of a few degrees, for example 10 ° C. causes a variation greater than 5% of the thickness deposited in each cycle. For example, outside the nominal window, a temperature variation of at least 10 ° C. causes a variation greater than 5% of the thickness deposited in each cycle.
  • the nominal window F T can also be defined as being the temperature interval within which growth takes place under self-limited reaction conditions. Thus, the nominal window F T can also be defined as corresponding to the temperature interval for which the use of the precursor is effected layer by layer by a self-limited reaction. Outside of this nominal window, this self-limiting character is not verified.
  • the minimum width (T m ax-T m in) of the nominal window is preferably greater than 10 ° C, preferably greater than 20 ° C. Most often, this window has a width greater than 100 ° C., or even 200 degrees. The width of this window nevertheless varies according to the precursors used. Those skilled in the art know perfectly well how to identify, for a given precursor, the nominal window as well as its limits.
  • the minimum nominal window width is preferably greater than 10 ° C and preferably greater than 20 ° C. Most often, this window has a width greater than 100 ° C., or even 200 degrees. The width of this window nevertheless varies according to the precursors used. Those skilled in the art know perfectly well how to identify, for a given precursor, the nominal window as well as its limits.
  • the pressure of the reaction chamber is less than or equal to 80 mTorr and preferably about 10 mTorr. This makes it possible to ensure a non-collisional cladding in the vicinity of the substrate and therefore to give an anisotropic character to the densification of the surface film.
  • the bias is applied with a P bias-substrate bias power less than or equal to 150 Watts and preferably with P ias between 10 W and 120 W.
  • P bias-substrate is between 10 Watts and 90 Watts. W. This makes it possible to avoid the creation of defects generated by too violent ionic bombardment (in dose and / or in energy).
  • the bias-substrate bias voltage V is applied with a bias power less than 150 W, and preferably between 10 and 120 W, (watts) corresponding to a lower bias voltage IV biaS-substrate I or equal to 300 volts and preferably between 10 volts and 150 volts.
  • HfO 2 hafnium oxide
  • P bias-substrate must be less than or equal to 80W.
  • P bias -su b strat 20W for the Hf02.
  • the proposed method can be applied to deposit a wide variety of materials.
  • the invention thus provides a solution for obtaining nitride, oxide or sulphide layers from a wide variety of materials.
  • the invention thus makes it possible to eliminate many constraints relating to the choice of materials.
  • the total number N of cycles is preferably greater than or equal to 15 and preferably greater than or equal to 20.
  • the first regions exposed to the densification plasma and the second regions not exposed to the densification plasma differ by at least one of the following parameters: a density of the film, and a level of impurities.
  • At least some and preferably all of the first and second surfaces form a right angle between them.
  • first and second surfaces do not form a right angle between them.
  • a rear face of the structure extends in a plane, the perpendicular to this plane being inclined, preferably by more than 10 °, relative to the preferred direction of the ion flow.
  • the layer is based on at least one material capable of being deposited by (PEALD).
  • the initial layer is made of or is based on a nitride, an oxide or a sulfide.
  • the initial layer is made of or is based on a nitride or an oxide obtained from organometallic or organosilicon or halogenated precursors.
  • the first precursor comprises one of the following materials: aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), silicon (Si), hafnium (Hf), zirconium (Zr), Copper (Cu), Ruthenium (Ru), Lanthanum (La), Yttrium (Y).
  • the terms “on”, “overcomes”, “covers”, “underlying”, in “vis-à-vis” and their equivalents do not necessarily mean “at the same time”. contact of ”.
  • the deposition, the formation of a layer or of a film on a surface does not necessarily mean that the layer or the film are directly in contact with the surface, but means that they at least partially cover the surface. surface either by being directly in contact with it, or by being separated from it, for example by at least one other layer or another film.
  • a substrate By a substrate, a film, a layer, a gas mixture, a plasma "based" on a species A: a substrate, a film, a layer, a gas mixture, a plasma comprising this species A only or this. species A and possibly other species.
  • the substrate comprises at least one structure, a front face of which is exposed to the species present in the reaction chamber of the reactor.
  • the structure is thus supported by the substrate or is formed on the substrate. Provision can also be made for the structure to be the substrate.
  • step is understood to mean carrying out part of the process, and can denote a set of sub-steps.
  • step does not necessarily mean that the actions carried out during a step are simultaneous or immediately successive.
  • some actions of a first stage can be followed by actions linked to a different stage, and other actions of the first stage can be repeated afterwards.
  • step does not necessarily mean unitary and inseparable actions over time and in the sequence of the phases of the process.
  • dielectric denotes a material whose electrical conductivity is low enough in the given application to serve as an insulator.
  • a dielectric material preferably has a dielectric constant greater than 4.
  • the spacers are typically formed from a dielectric material.
  • these percentages correspond to fractions of the total flow rate of the gases injected into the reactor.
  • a gas mixture for example intended to form a plasma
  • microelectronic device any type of device produced with the means of microelectronics. These devices include in particular, in addition to purely electronic devices, micromechanical or electromechanical devices (MEMS, NEMS, etc.) as well as optical or optoelectronic devices (MOEMS, etc.).
  • MEMS micromechanical or electromechanical devices
  • MOEMS optical or optoelectronic devices
  • It may be a device intended to perform an electronic, optical, mechanical etc. function. It can also be an intermediate product intended solely for the production of another microelectronic device.
  • the thickness of a layer or of the substrate is measured in a direction perpendicular to the surface along which this layer or this substrate has its maximum extension. The thickness is thus taken in a direction perpendicular to the main faces of the substrate on which the different layers rest.
  • the terms “substantially”, “approximately”, “of the order of” mean “to within 10%”.
  • This last parameter, the deposition temperature, is particularly critical for obtaining a layer of good physical and chemical quality. It corresponds to the temperature at which the substrate is maintained during the PEALD cycle.
  • the nominal temperature window is available from the supplier of the first precursor. This nominal window corresponds to the temperature interval within which growth takes place under self-limiting reaction conditions. Specifically, the deposits show very good compliance, with very good control of the thickness of the growing thin film.
  • This nominal window is for example given by the manufacturer of the precursor. This nominal window can be validated by a person skilled in the art, typically the process engineer in charge of developing the experimental parameters on a determined ALD or PEALD reactor.
  • This nominal window F T is illustrated in FIG. 4.
  • the lower and upper limits of this window F T are referenced T min and T max on the abscissa axis.
  • the y-axis corresponds to the rate of deposition, more precisely to the thickness of growth per cycle of ALD or PEALD.
  • This thickness of growth per cycle is usually designated by its acronym GPC, which stands for growth per cycle.
  • GPC is usually expressed in nanometers per cycle.
  • the deposition temperature is lower than the lower limit T min of the window F T , then the precursor condenses at the surface of the substrate (causing an artificial increase in GPC), instead of being chemisorbed (so self-limited).
  • Several layers of precursor molecules can be physisorbed on the substrate by stacking on top of each other. Physisorption is in fact not self-limited and a higher deposition rate is then observed.
  • This scenario corresponds to region 41 of FIG. 4.
  • physisorption may not take place in the case where the energy thermal is not sufficient. This minimum thermal energy depends on the nature of the precursor and of the substrate. If this temperature is too low for surface reactions to take place, then no film growth is observed. This scenario corresponds to region 42 of FIG. 4.
  • the nominal window F T is such that by varying the PEALD deposition temperature, for temperatures taken below the nominal window F T , the thickness of the film deposited at each PEALD cycle varies. For example, by varying the temperature T cycie by more than 10 ° C. below T min , the thickness of the film deposited in each PEALD cycle varies by more than 5%, or even by more than 10%. While the temperature T cycie is varied by more than 10 ° C inside the nominal window F T , the thickness of the film deposited in each PEALD cycle does not or does not vary by more than 2% or even no more than 1%.
  • Regions 43 and 44 correspond to situations in which the deposition temperature is greater than the maximum temperature T max of the window F T.
  • the precursor can decompose and the deposition mode becomes chemical vapor deposition (CVD or pseudo-CVD) with a much faster film growth caused by the loss of the self-limiting nature of the reaction.
  • This scenario corresponds to region 43 of FIG. 4.
  • the high temperature can also activate the desorption of the chemisorbed precursor and lead to a drop in GPC (region 44 of FIG. 4). Most often, these two phenomena (decomposition of precursor 43 and activation of desorption 44) are competitive and simultaneous.
  • the nominal window F T is such that by varying the PEALD deposition temperature, for temperatures taken above the nominal window F T , the thickness of the film deposited at each PEALD cycle varies. For example, by varying the temperature T cycie by at least 10 ° C above T max , the thickness of the film deposited in each PEALD cycle varies by more than 5%, or even more than 10%, or even of more than 20%.
  • the minimum nominal window width is preferably greater than 10 ° C, preferably greater than 20 ° C. Most often, this window has a width greater than 100 ° C., or even 200 degrees. The width of this window varies however depending on the precursors used. Those skilled in the art know perfectly well how to identify, for a given precursor, the nominal window as well as its limits.
  • the temperature window is wider than in ALD mode, and often wider towards low temperatures than in ALD.
  • the process engineer responsible for fine-tuning the experimental parameters knows how to determine this window in ALD or PEALD mode.
  • the deposited layer is based on at least one material capable of being deposited by (PEALD). Typically this is a layer made of or is based on a nitride, oxide or sulfide.
  • Figure 5 illustrates, schematically, the main steps of this embodiment.
  • FIG. 6 illustrates the intermediate result obtained before a selective etching step.
  • the method comprises a sequence comprising an iteration of N cycles 1.
  • Each cycle 1 includes at least the following steps:
  • a first step comprises injecting a first precursor into the reaction chamber of the reactor.
  • This first precursor is taken from metallic, metalloid or lanthanide precursors.
  • This precursor can be based on one of the following materials: aluminum (Al), titanium (Ti), tantalum (Ta), silicon (Si), hafnium (Hf), zirconium (Zr), Copper (Cu), Ruthenium (Ru), Lanthanum (La), Yttrium (Y).
  • a second step is a purge step 20.
  • This purge 20 is carried out to remove the excess of the first precursor, that is to say to remove the reagents of the first precursor which have not reacted, as well as the reaction products.
  • a neutral scavenging gas such as argon (Ar) or dinitrogen (N 2 ) is preferably injected into the reaction chamber.
  • a third step 30 comprises an injection 31 into the reaction chamber of a second precursor and a pressure stabilization step, as well as a step 32 of plasma formation.
  • This second precursor can for example be a plasma generated in an oxygen-based atmosphere for the growth of oxides, nitrogen and / or hydrogen or ammonia (NH3) for the growth of nitrides, or sulfides.
  • the first precursors 1 already contain sulfide atoms, and the second precursor is reducing (H 2 or NH 3 to ALD or PEALD).
  • a fourth step is a purge step 40.
  • This purge 40 is performed to remove the excess of the second precursor as well as the reaction products.
  • the solid arrow gives an indication, by way of example only, of the relative durations of the cycle and of each of these steps 10 to 40.
  • the first step and the third step can be reversed by each being accompanied by a purge step.
  • the method can be implemented over the following chronology: 30, 40, 10, 20.
  • the first plasma step 30 serves to activate the surface of the substrate. to facilitate the attachment of the metal precursor pulse 10. This inversion is especially important for the selective growth in full plate (2D).
  • each cycle 1 allows the formation of a monolayer. If we start with a plasma step 30, then the monolayer will be produced after 1.5 cycles. It will be noted that the temperature T cyc ie imposed on the substrate during cycles is lower than the lower limit T min of the nominal temperature window F T.
  • the cycles are carried out at a temperature T cyc ie such as T cy cie £ (Tmin - 20 ° C), Tcycie being T min in degrees Celsius (° C).
  • T cyc ie £ T min - 50 ° C).
  • T cyc ie may be greater than or equal to room temperature.
  • a bias usually called a bias
  • the reaction chamber comprises a sample holder for receiving the structure 100. The sample holder is electrically conductive and a bias voltage is applied to this sample holder to be transmitted to the substrate 100 and as well as to its face. before.
  • This bias voltage V ias-substrate is applied to the substrate 100 for example via a voltage regulation device such as a radiofrequency power generator.
  • the bias voltage V biaS-substrate can for example be strictly less than 0 ( ⁇ 0 V).
  • a zero bias voltage V ias _substrat n on can be positive or negative.
  • This bias voltage V ias.SU bstrat applied to the substrate is distinct from the potential of the plasma V piasma .
  • the bias voltage V ias-SU bstrat is in fact distinguished from the potential of the plasma V piasma which is induced, in a perfectly conventional manner by the source of the plasma in order to generate the ions and radicals and therefore initiate the deposit of dielectric.
  • the bias voltage V ias-SU bstrat is controlled independently of the potential of the plasma V piasma induced by the source.
  • the tension of V iaS-substrate polarization is more particularly applied to a receiving plate of the substrate.
  • the reaction chamber 310 of the reactor 300 here an ICP reactor, comprises a tray 320 for receiving the substrate 100. This tray can also be qualified as a sample holder.
  • the bias voltage V ias -substrate is applied to the plate 320.
  • the bias voltage V ias -substrate is applied only to the plate 320.
  • the plate 320 is electrically conductive and the voltage of V ias.SU bstrat bias is applied to this plate 320 by a voltage regulator device 370 to be transmitted to the substrate 100.
  • this bias voltage V ias.SU bstrat brings considerable advantages.
  • this polarization makes it possible to modulate the energy of the ions of the plasma in a controlled manner thanks to the regulation device 370.
  • the energy of the ions in fact depends on the potential of the plasma and on the polarization voltage. of the substrate, according to the following relation.
  • the plasma and the V ias-SU bstrat polarization are adjusted so as to give a privileged direction to the flow 33 of the ions generated by the plasma.
  • This preferred direction is oriented such that the first surfaces 110 of the substrate 100 are exposed to the flow 33 of ions and the second surfaces 120 of the substrate 100 are not exposed to the flow 33 of ions.
  • the preferred direction of the flow 33 of the ions generated by the plasma being perpendicular to the rear face 102 of the substrate 100, then:
  • the first surfaces 110 correspond to the horizontal surfaces, that is to say to the vertices 111 and to the bottoms 112 of the trenches 101;
  • the second surfaces 120 correspond to the vertical surfaces, that is to say to the sides 112 of the trenches 101.
  • the bias voltage V iaS-substrate applied is less than 300 volts, preferably less than 150 volts. Usually this polarization is controlled by adjusting its power. This bias is therefore usually expressed in watts (W). In the context of the invention, this P bias-substrate bias power is preferably less than 150W, preferably less than or equal to 100 W in absolute value (
  • Figure 11 illustrates a schematic of a plasma reactor 300 which can be used to carry out the method. Preferably, the method is implemented in a plasma reactor for PEALD deposition.
  • the reactor 300 comprises a plasma source 360 offset with respect to the reaction chamber 310.
  • the potential of V piaSma is offset from the substrate 100.
  • the effect of the bias voltage V bias-substrate increases the voltage. energy of the plasma ions at the substrate level. In the absence of V ias -substrate, for zero voltage, the energy of the ions is equal to the product of the charge of the ion times the potential of the plasma V piasma .
  • the efficiency of the ion bombardment on the surface 101 can thus be better controlled than compared to a non-remote source or a remote source which is not associated with the application of a bias voltage V ias.sub strat ⁇
  • the repeatability of the densification of the exposed face 101 is therefore improved.
  • the use of a remote source makes it possible to avoid any direct contact between the plasma in its formation zone and the substrate 100, which could damage the substrate.
  • the use of a remote plasma source also minimizes the directivity of the plasma treatment. The processing of a three-dimensional structure, in particular of a nanostructure, is facilitated.
  • the method is implemented in an inductively coupled plasma reactor, usually qualified by its acronym ICP from the English term Inductively Coupled Plasma.
  • the source is an inductive radiofrequency source, which makes it possible to have a stable plasma at a power P piasm a much lower compared to other sources, for example a microwave source.
  • the power P piasm a of the inductive radiofrequency source is between 100 and 300 W, preferably 200 W. The more the power of the inductive radiofrequency source is increased, the more the flow of ions which can reach the substrate is increased.
  • the reactor 300 comprises a reaction chamber 310 inside which is disposed a plate 320. This plate 320 is configured to receive the substrate comprising the structure 100.
  • the substrate rests on the plate 320 by a rear surface.
  • the front face 101 of the structure 100 is exposed to the species present in the reaction chamber 310.
  • the substrate forms the structure 100 carrying the first surfaces 110 and the second surfaces 120 inclined with respect to one another.
  • the tray 320 is electrically conductive.
  • the reactor comprises an inlet 330 for gases making it possible to inject into the interior of the chamber 310 the gases intended to form the chemistry of the plasma as well as the gases intended for the purge phases 20, 40.
  • the plasma source 360 is according to one example an induction coupling device, a coil of which is illustrated in FIG. 11, and which allows the formation of the plasma.
  • the reactor 300 also comprises a valve 340 for isolating the reaction chamber 310.
  • the reactor 300 also comprises a pump 350 for controlling the pressure inside the reaction chamber 310 synergistically with the flow rate of the injected gases, and extracting the species present in the reaction chamber 310.
  • this reactor 300 comprises a bias device 370 configured to allow the application of the bias voltage V iaS-substrate to the plate 320, for example via a radiofrequency power generator.
  • This voltage can ultimately be applied to the substrate 100, at least to its face facing the plate 320, whether this face is electrically conductive or not.
  • This polarization device 370 is preferably separate from the plasma source 360.
  • This polarization device 370 comprises a control device 371 and makes it possible to apply an alternating voltage to the plate 320.
  • This control device 371 preferably comprises a d unit. automatic adaptation (qualified by its English term of auto match unit) which adapts the impedance in the chamber and of the ion source to that of the radiofrequency generator.
  • This biasing device 370 is configured to allow the application to the plate 320 of the bias voltage V ias _ substrate , the amplitude of which is low, typically so that the bias-substrate power P is less than or equal to 150 Watts, and to preferably between 10 and 120 W.
  • the polarization device 370 and the plasma source 360 are configured so as to be able to adjust the polarization voltage V ias -substrate applied to the plate 320 independently of the potential of the plasma V piasma .
  • V ias.SU bstrat and V piasma are independent.
  • V bias.SU bstrat and V piasma are independently controlled.
  • the power P piasm a of the inductive radiofrequency source is between 100 and 300 W, preferably 200 W. With an ICP reactor, it is not possible and very it is difficult to obtain a plasma with a power P piasma less than 100 W. Conversely, P bias-substrate can perfectly well be less than 100 watts.
  • Pbias-substrate and P piaS ma have different functions and amplitudes which may therefore be different.
  • This flow 33 of ions, the incident energy of which can be modulated by the amplitude of the polarization of the substrate 100, makes it possible to take advantage of the synergy that it creates during the deposition with the radicals of the plasma. Only the surfaces exposed to the flow of energetic ions extracted from the plasma by the polarization of the substrate 100 (the horizontal surfaces 110 in the non-limiting example of FIG. 6) can benefit from the effects induced by these ions during the PEALD growth. These effects are characterized by the fact that, by mechanisms of synergy between the activated radicals and the ions of the plasma, the physicochemical properties of the thin layers produced by PEALD assisted by RF polarization of the substrate are modified.
  • FIG. 6 schematically illustrates the result obtained under these operating conditions.
  • Layer 200 then comprises: - first regions 210 (211 on the tops and 212 in the bottom of the trenches
  • this lower quality is manifested by a lower density of the material in these second regions 220.
  • This lower quality is also manifested by a higher defect rate and / or a higher level of impurities in these second regions 220.
  • the polarization (V iaS-substrate 10) is applied during the plasma formation step 32 of each PEALD cycle.
  • the plasma 32 has both the role of reactivating the ligands of precursor 1 to make them reactive with respect to precursor 1 and at the same time the role of densifying the layer as it is formed so selective in certain regions only.
  • the plasma under polarization provides its advantageous effect over the entire thickness of the layer 200 formed by PEALD.
  • the regions 210, 211, 212 exposed to the flow 33 of ions are made denser over their entire thickness.
  • the thickness e 2 n made dense in the regions 211 of the layer 200 covering the horizontal surfaces 111 is equal to the total thickness e 2 oo of the layer 200.
  • the thickness of the dense layer is zero.
  • the method further comprises a selective etching step, referenced 50 in FIG. 5, which is configured to selectively remove the second regions 220 of low quality vis-à-vis the first regions 210 of high quality. This selectivity of the etching takes advantage of the lower density of the material and / or of its higher level of impurities of the regions 220 not exposed to the flow 33 of ions of the plasma under polarization.
  • Etching 50 can be carried out by wet or dry process.
  • the etch selectivity is at least a factor of 2.
  • the following example relates to a 10 nm Ta 2 0 5 deposit. Nevertheless, this process and the characteristics mentioned below can be applied to thicknesses of a few nanometers to a few tens of nanometers (03 to 100 nm) and to any type of material deposited by PEALD (oxides, nitrides and sulphides).
  • a plurality of cycles 1 such as that illustrated in FIG. 5 and described above are carried out.
  • the following conditions can be applied during this cycle sequence.
  • the precursor used, typically that injected during step 10 is TBTDMT, ie, Tris (dimethylamine) tert-Butylamino) tantalum Ta (N (C 4 H9)) (N (CH 3 ) 2 ) 3.
  • the deposition temperature T cyc ie that is to say the temperature of the structure 100, is equal to 100 ° C. This temperature is 100 ° C. lower than the lower limit temperature T min of the PEALD temperature window F T for this precursor. It is preferable to deviate from this lower temperature by at least a hundred degrees, so as to significantly deteriorate the quality of the deposit without ionic assistance, which increases the selectivity of the subsequent etching step. In this way, the subsequent removal of this material by wet or plasma etching is facilitated, due to the high rate of carbon impurities present in the deposit and linked to the incomplete decomposition of the organometallic precursor (precursor 1) traditionally used for PEALD processes. .
  • T cyc ie temperatures strictly below 100 ° C.
  • T cyc ie may be less than or equal to 80 ° C, and preferably less than or equal to 50 ° C.
  • T cyc ie is equal to ambient temperature. This means that the reactor in which the process steps are implemented may not be heated by heating means.
  • the power P bias-substrate of the RF polarization applied to the substrate must be optimized to induce an effective synergy between the ions and the radicals of the plasma, that is to say leading to the densification of the deposit and elimination of carbon impurities.
  • this power is not too high in order to avoid the appearance of defects induced by bombardment by ions from the plasma, such as surface roughness, sputtering or implantation of the surface. exposed.
  • a low RF power Pbias is recommended, typically 10 W £ Pbias £ 120 W.
  • the deposition rate at 100 ° C is 0.115 nm / cycle.
  • the number of cycles is adjusted to achieve the desired thickness at the end of this sequence of cycles 1.
  • the layer has a thickness e 2 oo varying from a few nanometers to a few tens of nanometers. .
  • the step 50 of selective etching is carried out.
  • the impurities present in the layer deposited on surfaces 120 not exposed to the flow of ions 33 are overwhelmingly of carbon origin.
  • a selective removal of this layer by the wet route will preferably be used.
  • an HF solution diluted typically from 1% to 5% (preferably 5%) is perfectly selective between a dense metal oxide and the same oxide which is very sparingly dense and contains carbon impurities.
  • a dip in 5% HF for a period of 50 seconds makes it possible to remove 10 nm of non-densified Ta 2 0 5 produced in PEALD at 100 ° C, without etching the Ta 2 0 5 layer densified by exposure to ion flow.
  • Figure 7 illustrates, schematically, the main steps of this embodiment. This method differs from that of the previous embodiment in that the polarization of the substrate is applied only during the last cycle (s).
  • sequence of formation of the layer 200 by PEALD comprises:
  • cycles 1A are identical to the cycle of PEALD, illustrated in FIG. 5, except that no polarization of the substrate is applied during the plasma 32A. At the very least, no polarization of the substrate is applied during this plasma 32A with an adjustment making it possible to generate a flux 33 ion which selectively bombards exposed surfaces 110 without bombarding unexposed surfaces 120.
  • the deposition temperature T cyc ie is lower than the lower limit T min of the nominal window F T , as in the embodiment illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • This first set of cycles 1A leads to the formation of a portion 200A of layer 200. As illustrated in FIG.
  • the portion 200A extends from the structure 100, preferably from its front face 101. It preferably covers the entire structure 100. It is conformal. It has a constant thickness, which are identical on all the surfaces 110, 120 of the structure 100.
  • This layer 200A has a degraded quality due to the low temperature T cyc ie and the absence of exposure to a flow 33 of ions. .
  • cycles 1B are identical to the cycle of PEALD, illustrated in FIG. 5.
  • a V iaS-substrate bias is applied during the plasma 32B with a setting making it possible to generate a flux 33 of ions which selectively bombards the exposed surfaces 110 without bombarding the surfaces. 120 unexposed.
  • the deposition temperature T cyc ie is lower than the lower limit T min of the nominal window F T , as in the embodiment illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • portions 211 B and 212B which then have very good quality. These portions 211 B and 212B overcome the portions 211 A, 212A formed during cycle 1A which, for their part, have a degraded quality.
  • the thickness e 2 oo of the layer is equal to the sum of the thickness e 211A of the portions 211A and the thickness e 2 n B of the portions 211 B.
  • step 50 of selective etching the entire thickness of regions 220 of layer 200 are etched.
  • the surface portions 211 B, 212B resist etching and also protect the portions 211 A and 212A which are underlying them.
  • the layer 211A is prevented from being consumed, which would cause the layer 211 B to be removed by lift-off.
  • dry etching may be preferred for step 50.
  • the role of the plasma 32B is to densify the layer. deposited in addition to participating in the PEALD deposition of this layer.
  • the plasma 32B can then be qualified as a densification plasma and a deposition plasma.
  • the plasma steps 32A do not have the role of densifying the deposited layer.
  • cycles 1A and 1B are preferably carried out in the same reactor.
  • cycle 1B is carried out directly after cycle 1A, preferably in continuation of cycle 1A, with the only change being the application of the polarization.
  • the method comprises an alternation of deposition cycles 1A without V ia S _substrate polarization cycles 1B deposition with V ia s_substrate ⁇
  • the number N B of deposition cycles with polarization is equal to 1.
  • Figure 9 illustrates, schematically, the main steps of this embodiment. This method differs from that of the embodiment illustrated in Figures 5 and 6 mainly in that the selective densification of the layer 200 is performed only at the end of the PEALD cycles.
  • the plasma 32 can thus be qualified as a deposit plasma.
  • This plasma does not make it possible to densify the deposited layer 200.
  • This deposited layer therefore has a degraded quality, due to the deposition temperature T cyc ie taken below the nominal window F T.
  • the surface of the deposited layer 200 is exposed to an ion bombardment generated by a plasma 60.
  • a polarization is applied to this plasma 60, so as to generate a flow of ions in a direction privileged.
  • This privileged direction makes it possible to expose certain regions 210, 211, 212 of the layer to ion bombardment without this ion bombardment reaching the surfaces 220.
  • This exposure using a plasma 60 with polarization makes it possible to densify the exposed regions.
  • This plasma 60 can thus be qualified as densification plasma. According to one embodiment, this densification plasma 60 can be produced in a single exposure.
  • the densification plasma 60 can be a plasma based, for example, on argon (Ar), oxygen (0 2 ) or dinitrogen (N 2 ).
  • the plasma densification step 60 is preferably carried out at low pressure for anisotropic densification.
  • the pressure is less than 80 mTorr.
  • this pressure is 10 mTorr.
  • the polarization power is between 10 W and 120 W, preferably between 10 W and 90 W, depending on the previous conditions, and the material deposited.
  • This densification will preferably take place in situ, that is to say in the reactor which was used for the PEALD cycles.
  • this densification step is carried out immediately after the PEALD sequence.
  • this plasma densification step can also be carried out ex-situ, that is to say after having removed the structure 100 from the reactor which served for the PEALD sequence.
  • this embodiment has the advantage of not damaging the substrate 100 by ion bombardment. This route can also facilitate the attachment of the material deposited on the substrate, due to the small amount of precursor adsorbed in the first cycles, leading to the low density of the material.
  • this embodiment has the advantage of being able to be implemented in a reactor other than that used for the PEALD deposition cycles 1A without polarization. This embodiment can therefore be implemented when the PEALD reactor does not allow the application of a polarization. This embodiment therefore imposes fewer constraints on the necessary equipment.
  • the invention is not limited to the embodiments described above and extends to all the embodiments covered by the claims.
  • the surfaces exposed to the plasma with polarization are horizontal and perpendicular to the surface. preferred direction of the flow 33 of ions. It is nevertheless perfectly possible to foresee that the angle between the privileged direction of the flow 33 of ions and the exposed surfaces is not an angle of 90 degrees. This is for example the case with the embodiment illustrated in FIG. 10.
  • the structure 100 is inclined at an angle ⁇ with respect to the horizontal direction. This angle can be obtained by tilting the sample holder of the structure 100.
  • the shape of the reliefs of the structure 100 that is to say the dimension and the inclinations of the surfaces 110, 120 as well as the direction of the flow 33 of ions allow:
  • first surfaces 110 are reached by the flow of ions
  • second surfaces 120 are not reached by the flow of ions.
  • These second surfaces 120 can for example be shaded by the first surfaces 110.
  • the invention perfectly makes it possible to selectively deposit a layer 200 on first surfaces 110 while leaving free second surfaces 120 which do not form a right angle with the first surfaces 110.
  • the first surfaces 110 of the structure 100 can have the same inclination, as illustrated in FIGS. 6 and 8.
  • the invention s 'nonetheless extends to a structure 100 in which the first surfaces 110 have at least two different inclinations.
  • certain first surfaces 110 form an angle cp1 with the rear face 102 of the structure 100 and other first surfaces 110 form an angle cp2 with this same rear 102.
  • the second surfaces 120 can also have at least two inclinations.
  • the first surfaces 110 and the second surfaces 120 of the structure 100 can be substantially planar as illustrated in FIGS. 6 and 8.
  • the invention nevertheless extends to a structure 100 in which these first 110 and / or these second 120 surfaces. are not level.
  • the structure is a substrate 100 whose structuring is formed by grooves 101 or trenches whose sides 120 form right angles with the tops 111 and the bottoms 112 of the grooves 101.
  • All the examples, characteristics , the above-mentioned steps and technical advantages are perfectly applicable and combinable with a substrate having other types of patterns. It may for example be grooves 101 whose flanks 120 do not form a right angle with the vertices 111 and the bottoms 112 of the grooves 101.
  • it may be other shapes which can be very varied: studs, holes, staircase patterns etc.
  • the structuring of the substrate is distributed over the entire front face of the substrate.
  • the structure can be a nanostructure or include a plurality of nanostructures.
  • the structuring of the substrate is carried by the substrate. This structuring can perfectly well be carried or formed by a layer carried by the substrate.

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Abstract

Procédé réalisation d'une couche sur certaines surfaces seulement d'une structure L'invention porte notamment sur un procédé de réalisation d'une couche recouvrant des premières surfaces (110) d'une structure (100) et laissant à découvert des deuxièmes surfaces (120), le procédé comprenant au moins: • · une séquence de formation d'une couche initiale (200) par dépôt par PEALD, la séquence comportant des cycles (1) comprenant chacun au moins: • - une injection (10) d'un premier précurseur dans une chambre de réaction, • - une injection (30) d'un deuxième précurseur dans la chambre de réaction et la formation dans la chambre de réaction d'un plasma. Les cycles sont effectués à une température Tcycle telle que Tcycle (Tmin - 20°C), Tmin étant la température minimale d'une fenêtre nominale (FT) de températures pour un dépôt PEALD. Le procédé comprend au moins une étape d'exposition de la couche initiale (200) à un plasma, dit plasma de densification (32, 32B, 60), configuré de sorte que l'exposition au flux (33) d'ions du plasma de densification (32, 32B, 60) rend le matériau reposant sur les premières surfaces (110) plus résistant à la gravure que le matériau reposant sur les deuxièmes surfaces (120). Le procédé comprend également une étape de gravure sélective de sorte que la couche initiale (200) recouvre les premières surfaces (110) de la face avant (101) de la structure (100) en laissant à découvert les deuxièmes surfaces (120).

Description

Procédé réalisation d’une couche sur certaines surfaces seulement d’une structure DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un procédé micro-électronique de réalisation d’une couche sur certaines surfaces seulement d’une structure. L’invention trouve de nombreuses applications dans le domaine de la microélectronique. Elle pourra par exemple être mise en œuvre pour la réalisation de masques de gravure. Elle sera également avantageuse pour réaliser des transistors en mettant en œuvre des procédés de fabrication avec grilles sacrificielles (habituellement qualifiées par le vocable anglais de procédés gâte last).
ETAT DE LA TECHNIQUE
Pour de nombreuses applications, il est utile de former une couche sur certaines surfaces seulement d’un substrat présentant une topologie de surfaces. La figure 1A illustre un exemple de substrat 100, dont la topologie forme des rainures 101 ou tranchées. Ce substrat 100 présente ainsi des surfaces horizontales 110 situées sur le sommet 111 et dans le fond 112 des rainures 101. Il présente également des surfaces verticales 120 sur les parois des rainures 101. Il peut être utile de former une couche 200 sur les surfaces horizontales 110 uniquement et en laissant les surfaces verticales
120 découvertes, comme illustré en figure 2. Les solutions connues pour y parvenir consistent à effectuer les étapes suivantes :
- déposer une couche pleine plaque, c’est-à-dire sur toutes les surfaces de la face avant du substrat.
- effectuer des étapes classiques de lithographie pour retirer la couche déposée sur les surfaces verticales tout en conservant la couche sur les surfaces horizontales.
Le résultat de l’étape de dépôt pleine plaque est illustré en figure 1B. La couche 200, déposée de manière conforme présente des régions 210, 211, 212 surmontant les surfaces horizontales 110, 111, 112 et des régions 220 surmontant les surfaces verticales 120. Cette étape de dépôt peut par exemple être effectuée par dépôt par couche atomique (ALD), éventuellement assistée par plasma (PEALD). Les techniques d’ALD reposent sur un procédé de croissance autolimitant dans lequel le matériau est déposé couche par couche. Il est ainsi possible de concevoir des films à l’échelle nanométrique avec une bonne conformité. D’une manière générale, la technique ALD consiste à injecter séquentiellement dans la chambre de réaction d’un réacteur un premier précurseur d’un premier réactif puis un deuxième précurseur d’un deuxième réactif. Le premier précurseur gazeux est métallique, métalloïde ou lanthanide qui ne réagit pas avec lui-même. Le deuxième réactif gazeux réagit avec le premier réactif adsorbé pour permettre la réactivation de l’adsorption du premier précurseur au cours de l’alternance suivante. La figure 3 illustre différentes étapes d’un exemple de cycle 1 de dépôt ALD. Une première étape 10 consiste à injecter le premier réactif qui réagit par chimisorption avec la surface découverte du substrat. On effectue ensuite une étape de purge 20 pour éliminer la portion du premier réactif n’ayant pas réagi ainsi que les produits réactionnels. A l’étape 30, on injecte le deuxième réactif qui réagit par chimisorption avec le premier réactif adsorbé. On effectue ensuite une étape de purge 40 pour éliminer les deuxièmes réactifs n’ayant pas réagi ainsi que les produits réactionnels. Dans un procédé PEALD, le deuxième réactif est généré par un plasma. L’étape 30 comprend alors une étape 31 d’injection du deuxième réactif et de stabilisation des espèces en présence, puis une étape 32 de formation d’un plasma. Pour obtenir une couche d’épaisseur souhaitée, ce cycle 1 est répété autant de fois que nécessaire. En figure 3, la flèche en pointillés et le nombre N illustrent ce caractère itératif et le nombre de cycles effectués.
Après avoir procédé au dépôt, les techniques de lithographie comprennent de nombreuses étapes pour former un ou plusieurs masques, permettant in fine de masquer les surfaces horizontales et d’exposer les surfaces verticales. La couche à réaliser est ensuite gravée à travers le masque pour retirer les régions 220 situées sur les surfaces verticales 120 du substrat tout en conservant les régions 210, 211, 212 de couche 200 recouvrant les surfaces horizontales 110, 111, 112. On obtient alors le résultat illustré en figure 2.
Ces solutions connues présentent comme inconvénient de nécessiter de nombreuses étapes notamment pour la réalisation et le positionnement des différents masques. Par ailleurs, elles présentent une précision limitée du fait des inévitables erreurs et tolérance d’alignement des différents masques. Ces solutions sont donc longues et coûteuses à mettre en œuvre.
Il existe donc un besoin consistant à proposer une solution pour réduire les inconvénients des solutions connues.
Un objet de la présente invention consiste à répondre à au moins l’un de ces besoins. En particulier, un objet de la présente invention consiste à proposer une solution pour améliorer la précision des solutions connues.
RESUME
Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit un procédé de réalisation d’une couche recouvrant des premières surfaces d’une face avant d’une structure et laissant à découvert des deuxièmes surfaces de cette face avant, les premières surfaces et les deuxièmes surfaces présentant des inclinaisons différentes, le procédé comprenant au moins:
• une séquence de formation d’une couche initiale par dépôt par couche atomique assisté par plasma (PEALD) sur la face avant de la structure, la séquence comportant une pluralité de cycles, chaque cycle comprenant au moins: une injection d’un premier précurseur dans une chambre de réaction d’un réacteur contenant la structure, une injection d’un deuxième précurseur dans la chambre de réaction et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma, dit plasma de dépôt, de sorte à former à chaque cycle, sur lesdites premières et deuxièmes surfaces de la structure, un film formant une portion de ladite couche initiale.
Les cycles sont effectués à une température Tcycie telle que TCycie£(Tmin - 20°C), Tmin étant la température minimale d’une fenêtre nominale (FT) de températures pour un dépôt PEALD à partir des premier et deuxième précurseurs.
Le procédé comprend au moins une étape d’exposition de la couche initiale, formée ou en cours de formation par PEALD, à un plasma, dit plasma de densification, au cours de laquelle on applique à la structure une polarisation non nulle de sorte à donner une direction privilégiée à un flux d’ions générés par le plasma de densification. Cette direction privilégiée étant orientée pour qu’au moins une portion superficielle de la couche initiale, déposée ou en cours de formation par PEALD, présente: o des premières régions, recouvrant les premières surfaces de la structure et qui sont exposées au flux d’ions du plasma de densification, o des deuxièmes régions, recouvrant les deuxièmes surfaces de la structure et qui ne sont pas exposées au flux d’ions du plasma de densification. De préférence, le plasma de densification, tout au moins la polarisation, est configuré de sorte que l’exposition au flux d’ions du plasma de densification rend le matériau des premières régions plus résistant à la gravure que le matériau. Typiquement la polarisation est configurée de sorte que l’exposition au flux d’ions du plasma de densification confère au matériau des premières régions une densité supérieure à la densité du matériau des deuxièmes régions et/ou un taux d’impuretés inférieure à un taux d’impuretés du matériau des deuxièmes régions. Grâce à ce contrôle de la polarisation du substrat, l’énergie des ions qui arrivent sur la surface exposée du substrat est parfaitement maîtrisée, ce qui permet de le densifier.
L’application d’une tension de polarisation V iaS-substrat au substrat permet d’augmenter l’énergie des ions du plasma de façon contrôlée et indépendante de la tension VpiaSma induite par la source utilisée pour générer le plasma à base d’azote. L’efficacité du traitement par plasma peut ainsi être modulée de façon contrôlée pour améliorer encore les propriétés de l’interface obtenue. Les performances électriques du composant sont par conséquent améliorées. Le procédé comprend également, à l’issue de l’étape d’exposition de la couche initiale, formée ou en cours de formation par PEALD, au plasma de densification, au moins une étape de gravure sélective des deuxièmes régions vis-à-vis des premières régions. Ainsi, après gravure la couche initiale recouvre les premières surfaces de la face avant de la structure en laissant à découvert les deuxièmes surfaces. Ainsi, le procédé proposé prévoit d’effectuer des cycles de PEALD à une température inférieure à la température de la fenêtre nominale. Le dépôt résultant de ces cycles présente donc une qualité détériorée par rapport à un dépôt effectué dans la fenêtre nominale.
Par ailleurs, le plasma de densification assisté par une polarisation du substrat est orienté de sorte à exposer uniquement les premières surfaces du substrat, ce qui permet de recouvrir ces dernières par une mince portion de couche qui présente une très bonne qualité. On observe, dans une mesure inattendue, une amélioration significative de la pureté chimique, de la stœchiométrie et de la densité de la couche déposée dans ces régions exposées au plasma avec polarisation. La couche déposée par PEALD présente donc :
- un film superficiel de très bonne qualité recouvrant les premières surfaces de la structure,
- un film superficiel de qualité dégradée recouvrant les deuxièmes surfaces de la structure.
Les deuxièmes surfaces sont alors plus sensibles à la gravure, permettant leur retrait tout en conservant le film superficiel de bonne qualité sur les premières surfaces.
Le procédé proposé permet ainsi un dépôt sélectif sur certaines surfaces seulement du substrat, sans avoir besoin de recourir aux techniques classiques de lithographie impliquant le positionnement successif de masques.
Par conséquent, le procédé proposé permet d’améliorer considérablement la précision des motifs de cette couche déposée sélectivement sur certaines surfaces seulement du substrat. Par ailleurs, il permet de réduire la durée et le coût par rapport aux procédés nécessitant des étapes ultérieures de lithographie. Ce procédé permet par exemple de réaliser avec une très bonne précision des masques de gravure.
Effectuer un dépôt PEALD à une température inférieure à la température basse de la fenêtre préconisée, fonction de la nature du précurseur, est une démarche totalement contraire à toutes les bonnes pratiques des techniques de PEALD.
Par ailleurs, la combinaison de ce dépôt PEALD à basse température avec une ou des étapes d’application d’un plasma avec polarisation a permis de constater au final :
- une dégradation, dans une mesure parfaitement inattendue, de la densité du matériau déposé à basse température,
- une amélioration, également dans une mesure parfaitement inattendue, de la densité du matériau déposée lorsque ce dernier est déposé dans les mêmes conditions de basse température, mais avec l’ajout d’une polarisation.
In fine, c’est ce très grand écart de densité du matériau sur des surfaces présentant des orientations différentes qui permet d’obtenir un dépôt sélectif sur certaines surfaces uniquement (typiquement les surfaces horizontales).
En outre, le procédé proposé permet de déposer des matériaux très variés pour former une couche à base de nitrure, d’oxyde de sulfure. Les solutions connues de PEALD ne permettent pas de déposer des matériaux aussi variés, sélectivement sur certaines surfaces et avec une qualité satisfaisante de couche obtenue. Tel est par exemple le cas du dépôt d’HF02. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront mieux de la description détaillée d’un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d’accompagnement suivants dans lesquels : Les figure 1A et 1B illustrent une structure de départ de type substrat 3D,et une structure intermédiaire permettant d’obtenir une structure souhaitée illustrée en figure 2.
La figure 1 B illustre le dépôt conforme obtenu sur une structure 3D de départ.
La figure 2 illustre un exemple de structure finale obtenue après mise en œuvre du procédé selon l’invention. Seules les surfaces horizontales sont recouvertes, alors que les surfaces verticales sont à découvert.
La figure 3 représente schématiquement un cycle classique d’un dépôt PEALD.
La figure 4 est un graphe illustrant la fenêtre nominale de température à appliquer à un cycle PEALD pour obtenir une croissance satisfaisante en termes de qualité de la couche obtenue (stœchiométrie, densité et pureté chimique). Ce graphe illustre également les conséquences néfastes sur la croissance lorsque la température appliquée au cycle PEALD est en dehors de cette fenêtre nominale.
La figure 5 représente schématiquement un procédé selon un exemple de réalisation de la présente invention. La figure 6 illustre schématiquement la structure obtenue après avoir réitéré plusieurs cycles illustrés en figure 5, et avant l’étape de gravure sélective.
La figure 7 représente schématiquement un procédé selon un deuxième exemple de réalisation de la présente invention. Cette figure fait apparaître que ce procédé comprend une première séquence de cycles PEALD sans tension de polarisation appliquée au substrat, puis une deuxième séquence de cycles PEALD avec tension de polarisation appliquée au substrat afin de densifier la portion surfacique de la couche déposée.
La figure 8 illustre schématiquement la structure obtenue après mise en œuvre des cycles illustrés en figure 7, et avant l’étape de gravure sélective. La figure 9 représente schématiquement un procédé selon un troisième exemple de réalisation de la présente invention.
La figure 10 représente schématiquement une variante de réalisation, dans laquelle une structure est inclinée par rapport à un flux d’ions généré par un plasma.
La figure 11 illustre un schéma d’un exemple de réacteur plasma qui peut être utilisé pour mettre en œuvre l’invention. Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l’invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l’invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques. En particulier, les épaisseurs des différentes couches et films ne sont pas représentatives de la réalité.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
Avant d’entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l’invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
Selon un exemple, l’étape d’exposition de la couche initiale au plasma de densification est effectuée à chaque cycle de la séquence de formation de la couche initiale par PEALD, le plasma de dépôt étant le plasma de densification.
Ainsi, la portion densifiée par le plasma s’étend sur toute l’épaisseur de la couche initiale. Ce mode de réalisation présente pour avantage de former une couche de très bonne qualité sur les premières surfaces tout en facilitant le retrait de la couche déposée sur les deuxièmes surfaces. Les performances du dispositif intégrant cette couche sont donc améliorées.
Selon un exemple, l’étape d’exposition de la couche initiale au plasma de densification est effectuée uniquement lors des NB derniers cycles de la séquence de formation de la couche initiale par PEALD, le plasma de dépôt étant le plasma de densification lors de ces NB derniers cycles, le nombre total de cycles de la séquence est égal à NA+NB, NA et NB étant des entiers non nuis. Selon un exemple, NB =1.
Ainsi, le film densifié par le plasma s’étend sur une portion seulement de l’épaisseur de la couche initiale. Ce film densifié s’étend depuis la face libre de la couche et recouvre donc cette dernière. Il ne s’étend pas sur toute l’épaisseur de la couche déposée par PEALD. Ce mode de réalisation présente pour avantage de former une couche de bonne qualité sur les premières surfaces tout en facilitant le retrait de la couche déposée sur les deuxièmes surfaces.
Selon un exemple, le procédé comprend une pluralité de séquences, chaque séquence comprenant NB étapes d’exposition de la couche initiale au plasma de densification. Ainsi, selon ce mode de réalisation, on alterne des cycles PEALD sans polarisation et NB cycles avec polarisation. De préférence à chaque séquence, on effectue une seule étape d’exposition au plasma de densification (NB=1).
Selon un exemple, l’étape d’exposition de la couche initiale au plasma de densification est effectuée uniquement après la séquence de formation de la couche initiale par PEALD. Le plasma de densification peut être appliqué dans un réacteur différent de celui utilisé pour effectuer les cycles PEALD sans polarisation. Le plasma de densification conduit donc à la formation d’un film sur la couche initiale déjà formée par PEALD. Ce mode de réalisation présente pour avantage de pouvoir être effectué ex situ, par exemple dans un réacteur de gravure CCP (réacteur plasma à couplage capacitif). On peut donc mettre en œuvre ce mode de réalisation lorsqu’aucun kit de polarisation n’est installé à demeure sur le réacteur PEALD. Ce mode de réalisation impose donc moins de contraintes sur les équipements nécessaires.
Selon un exemple alternatif, le réacteur utilisé est de type ICP (réacteur plasma à couplage inductif). Toutes les étapes du procédé peuvent être effectuées dans ce réacteur. On peut effectuer au sein du même réacteur des étapes avec application de la tension de polarisation au substrat (V iaS-substrat ¹0) et effectuer d’autres étapes sans application de la tension de polarisation au substrat (VbiaS-substrat =0). Toutes les étapes du dépôt PEALD peuvent donc être effectuées au sein du même réacteur ce qui présente des avantages considérables en termes de productivité, de reproductibilité et de qualité.
Selon un exemple, le procédé comprend une pluralité de séquences, chaque séquence comprenant NA étapes de dépôt PEALD, de préférence sans polarisation, puis ces séquences sont suivies d’une étape d’exposition de la couche initiale au plasma de densification. Ainsi, selon ce mode de réalisation, on alterne des cycles PEALD sans polarisation et au moins une étape d’exposition à un plasma avec polarisation.
Selon un exemple, lequel les cycles sont effectués à une température Tcycie inférieure à 100°C, de préférence inférieure à 80°C, de préférence inférieure à 50°C. Selon un exemple, les cycles sont effectués à une température Tcycie égale à la température ambiante. Ainsi, le réacteur n’est pas chauffé par un dispositif de chauffage lors de la mise en œuvre du procédé. Ces températures permettent de renforcer encore l’efficacité du procédé en facilitant le retrait de la couche recouvrant les deuxièmes surfaces de la face avant de la structure. L’utilisation de températures aussi basses est parfaitement contre intuitif pour l’homme du métier. Selon un exemple, les cycles sont effectués à une température Tcycie telle que : T cycle— (T min - 50°C), de préférence TcyCie£(Tmin - 100°C). Par exemple, Tcycie peut être inférieure ou égal à 80 °C, de préférence inférieure ou égale à 70 °C, et de préférence inférieure ou égale à 50 °C. Cela signifie que le réacteur dans lequel les étapes du procédé sont mises en œuvre n’est pas chauffé par des moyens de chauffage. Selon un exemple, Tcycie est égale à la température ambiante. Tcycie et Tmin sont en degrés Celsius (°C). Tmin est la température minimum de la fenêtre ALD ou PEALD, à partir de laquelle la réaction entre le précurseur, typiquement le premier précurseur, et le substrat est suffisamment activée thermiquement pour que la réaction d’adsorption puisse avoir lieu de façon autolimitée (et donc avec un GPC constant). La fenêtre nominale FT de températures correspond à la fenêtre de températures préconisée pour effectuer un dépôt PEALD à partir des premier et deuxième précurseurs. Cette fenêtre est typiquement préconisée par le fabricant du premier précurseur. Cette fenêtre nominale de température est un paramètre parfaitement habituel est connue de l’homme du métier. Dans la fenêtre nominale de températures, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD ne varie ou ne varie sensiblement pas en fonction de la température. Ainsi, la fenêtre nominale est telle qu’en faisant varier les températures de dépôt PEALD prises dans la fenêtre nominale, l’épaisseur du film déposé par cycle PEALD reste constante. Plus précisément, elle reste quasiment constante. Cela signifie que si à l’intérieur de la fenêtre nominale on fait varier la température de dépôt Tcycie de 10 °C, la variation de l’épaisseur du film déposé sera inférieure ou égale à 2%, voire inférieure ou égal à 1%.
Lorsque la température reste inférieure (respectivement supérieure) à la borne Tmin (respectivement Tmax) de la fenêtre nominale, alors l’épaisseur du film déposé par cycle PEALD varie significativement en fonction de la température. Par exemple, en dehors de la fenêtre nominale, une variation de température de quelques degrés, par exemple de 10°C entraîne une variation supérieure à 5% de l’épaisseur déposée à chaque cycle. Par exemple, en dehors de la fenêtre nominale, une variation de température d’au moins 10°C entraîne une variation supérieure à 5% de l’épaisseur déposée à chaque cycle. On peut également définir la fenêtre nominale FT comme étant l’intervalle de températures à l’intérieur duquel la croissance s’effectue dans des conditions de réaction auto-limitée. Ainsi, la fenêtre nominale FT peut également être définie comme correspondant à l’intervalle de températures pour laquelle utilisation du précurseur s’effectue couche par couche par une réaction auto-limitée. En dehors de cette fenêtre nominale ce caractère auto limitant ne se vérifie pas.
La largeur (Tmax-Tmin) minimale de la fenêtre nominale est de préférence supérieure à 10°C, de préférence supérieure à 20°C. Le plus souvent cette fenêtre présente une largeur supérieure à 100°C, voire 200 degrés. La largeur de cette fenêtre varie néanmoins selon les précurseurs utilisés. L’homme du métier sait parfaitement identifier, pour un précurseur donné, la fenêtre nominale ainsi que ses bornes. La largeur minimale de la fenêtre nominale est de préférence supérieure à 10°C et de préférence supérieure à 20°C. Le plus souvent cette fenêtre présente une largeur supérieure à 100°C, voire 200 degrés. La largeur de cette fenêtre varie néanmoins selon les précurseurs utilisés. L’homme du métier sait parfaitement identifier, pour un précurseur donné, la fenêtre nominale ainsi que ses bornes.
Selon un exemple, la largeur L = Tmax-Tmin de la fenêtre nominale FT est supérieure ou égale à 10°C, de préférence supérieure ou égale à 20°C.
Selon un exemple, la largeur L = Tmax-Tmin de la fenêtre nominale FT est supérieure ou égale à 100°C et de préférence supérieure ou égale à 200 degrés. Selon un exemple, lors de la formation du plasma de densification, la pression de la chambre de réaction est inférieure ou égale à 80 mTorr et de préférence d’environ 10 mTorr. Cela permet d’assurer une gaine non collisionnelle au voisinage du substrat et donc de donner un caractère anisotrope à la densification du film superficiel.
Selon un exemple, la polarisation est appliquée avec une puissance de polarisation Pbias-substrat inférieure ou égale à 150 Watts et avec de préférence P ias comprise entre 10 W et 120 W. De préférence Pbias-substrat est comprise entre 10 Watts et 90 W. Cela permet d’éviter la création de défauts engendrés par un bombardement ionique trop violent (en dose et/ou en énergie). Selon un exemple, la tension de polarisation Vbias-substrat est appliquée avec une puissance de polarisation inférieure à 150 W, et de préférence comprise entre 10 et 120 W, (watts) correspondant à une tension de polarisation I VbiaS-substrat I inférieure ou égale à 300 Volts et de préférence comprise entre 10 Volts et 150 Volts.
Par exemple, le dépôt d‘Hf02 (oxyde d’hafnium) nécessite une faible puissance pour éviter sa pulvérisation. Typiquement il faut que Pbias-substrat soit inférieure ou égal à 80W. De préférence Pbias-substrat = 20W pour le Hf02. Le contrôle indépendant de Vsubstrat et Vpiasma permet d'appliquer une tension faible au substrat 100 et donc de contrôler avec précision l'énergie des ions parvenant sur la couche à densifier. Pour réaliser cette couche, on peut par exemple utiliser des précurseurs de molybdène (IV)-amide.
Ainsi, et de manière générale, le procédé proposé peut être appliqué pour déposer des matériaux très variés. L’invention propose ainsi une solution pour obtenir des couches de nitrure, d’oxyde ou de sulfure à partir de matériaux très variés. L’invention permet ainsi de supprimer de nombreuses contraintes portant sur le choix des matériaux.
Selon un exemple, le nombre total N de cycles est de préférence supérieur ou égal à 15 et de préférence supérieur ou égal à 20. Selon un exemple, les premières régions exposées au plasma de densification et les deuxièmes régions non exposées au plasma de densification diffèrent par au moins l’un des paramètres suivants : une densité du film, et un taux d’impuretés.
Selon un exemple, au moins certaines et de préférence toutes les premières et deuxièmes surfaces forment entre elles un angle droit.
Selon un exemple, au moins certaines et de préférence toutes les premières et deuxièmes surfaces ne forment pas entre elles un angle droit. Selon un exemple, une face arrière de la structure s’étend dans un plan, la perpendiculaire à ce plan étant inclinée, de préférence de plus de 10°, par rapport à la direction privilégiée du flux d’ions.
Selon un exemple, la couche est à base d’au moins un matériau susceptible d’être déposé par (PEALD).
Selon un exemple, la couche initiale est faite ou est à base d’un nitrure, d’un oxyde ou d’un sulfure.
Selon un exemple, la couche initiale est faite ou est à base d’un nitrure ou d’un oxyde obtenu à partir de précurseurs organométalliques ou organosiliciés ou halogénés.
Selon un exemple, le premier précurseur comprend l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), tantale (Ta), silicium (Si), hafnium (Hf), zirconium (Zr), Cuivre (Cu), Ruthénium (Ru), Lanthane (La), Yttrium (Y).
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, les termes « sur », « surmonte », « recouvre », « sous-jacent », en « vis-à-vis » et leurs équivalents ne signifient pas forcément « au contact de ». Ainsi par exemple, le dépôt, la formation d’une couche ou d’un film sur une surface, ne signifie pas obligatoirement que la couche ou le film sont directement au contact de la surface, mais signifie qu’ils recouvrent au moins partiellement la surface soit en étant directement à son contact, soit en étant séparée d’elle par exemple par au moins une autre couche ou un autre film.
On entend par un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma « à base » d’une espèce A : un substrat, un film, une couche, un mélange gazeux, un plasma comprenant cette espèce A uniquement ou cette espèce A et éventuellement d’autres espèces.
Le substrat comporte au moins une structure dont une face avant est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction du réacteur. La structure est ainsi supportée par le substrat ou est formée sur le substrat. On peut aussi prévoir que la structure soit le substrat. Ces deux termes prennent alors le même sens. Plusieurs modes de réalisation de l’invention mettant en œuvre des étapes successives du procédé de fabrication sont décrits ci-après. Sauf mention explicite, l’adjectif « successif » n’implique pas nécessairement, même si cela est généralement préféré, que les étapes se suivent immédiatement, des étapes intermédiaires pouvant les séparer.
Par ailleurs, le terme « étape » s’entend de la réalisation d’une partie du procédé, et peut désigner un ensemble de sous-étapes.
Par ailleurs, le terme « étape » ne signifie pas obligatoirement que les actions menées durant une étape soient simultanées ou immédiatement successives. Certaines actions d’une première étape peuvent notamment être suivies d’actions liées à une étape différente, et d’autres actions de la première étape peuvent être reprises ensuite. Ainsi, le terme étape ne s’entend pas forcément d’actions unitaires et inséparables dans le temps et dans l’enchaînement des phases du procédé.
Le mot « diélectrique » qualifie un matériau dont la conductivité électrique est suffisamment faible dans l’application donnée pour servir d’isolant. Dans la présente invention, un matériau diélectrique présente de préférence une constante diélectrique supérieure à 4. Les espaceurs sont typiquement formés en un matériau diélectrique. Dans la présente demande de brevet, lorsque l’on exprime un mélange gazeux avec des pourcentages, ces pourcentages correspondent à des fractions du débit total des gaz injectés dans le réacteur. Ainsi, si un mélange gazeux, par exemple destiné à former un plasma, comprend x% du gaz A, cela signifie que le débit d’injection du gaz A correspond à x% du débit total des gaz injectés dans le réacteur pour former le plasma.
Par dispositif microélectronique, on entend tout type de dispositif réalisé avec les moyens de la microélectronique. Ces dispositifs englobent notamment en plus des dispositifs à finalité purement électronique, des dispositifs micromécaniques ou électromécaniques (MEMS, NEMS...) ainsi que des dispositifs optiques ou optoélectroniques (MOEMS...).
Il peut s’agir d’un dispositif destiné à assurer une fonction électronique, optique, mécanique etc. Il peut aussi s’agir d’un produit intermédiaire uniquement destiné à la réalisation d’un autre dispositif microélectronique.
Il est précisé que, dans le cadre de la présente invention, l’épaisseur d’une couche ou du substrat se mesure selon une direction perpendiculaire à la surface selon laquelle cette couche ou ce substrat présente son extension maximale. L’épaisseur est ainsi prise selon une direction perpendiculaire aux faces principales du substrat sur lequel reposent les différentes couches. Les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient « à 10% près ». Avant de décrire différents modes de réalisation de la présente invention, l’impact de la température lors d’un cycle de PEALD va maintenant être présenté en référence à la figure 4. Les paramètres de chaque dépôt PEALD doivent être adaptés en fonction notamment de la nature des précurseurs utilisés.
Ces paramètres sont ajustés en fonction de paramètres expérimentaux accessibles : flux des précurseurs dans la chambre (engendré par un flux de gaz inerte), temps d’ouverture de l’injection des précurseurs, temps de purge, durée de l’étape plasma, pression de fonctionnement, température du précurseur avant son injection dans la chambre du réacteur (sa température doit être située dans sa zone de stabilité à l’état gazeux) et température de dépôt.
Ce dernier paramètre, la température de dépôt, est particulièrement critique pour obtenir une couche de bonne qualité physique et chimique. Elle correspond à la température à laquelle le substrat est maintenu lors du cycle PEALD.
Pour des précurseurs donnés, la fenêtre nominale de température est disponible auprès du fournisseur du premier précurseur. Cette fenêtre nominale correspond à l’intervalle de température à l’intérieur duquel la croissance s’effectue dans des conditions de réaction auto-limitée. Plus précisément, les dépôts montrent une très bonne conformité, avec un très bon contrôle de l’épaisseur de la couche mince en croissance.
Cette fenêtre nominale est par exemple donnée par le fabricant du précurseur. Cette fenêtre nominale peut être validée par l’homme du métier, typiquement l’ingénieur procédé en charge de la mise au point des paramètres expérimentaux sur un réacteur ALD ou PEALD déterminé.
Cette fenêtre nominale FT est illustrée en figure 4. Les bornes inférieure et supérieure de cette fenêtre FT sont référencées Tmin et Tmax sur l’axe des abscisses. L’axe des ordonnées correspond à la vitesse de dépôt, plus précisément à l’épaisseur de croissance par cycle de ALD ou PEALD. Cette épaisseur de croissance par cycle est habituellement désignée par son acronyme GPC de l’anglais growth per cycle. La GPC est habituellement exprimée en nanomètre par cycle. Comme cela apparaît clairement en figure 4, en faisant varier les températures du cycle Tcycie, tout en conservant ces températures à l’intérieur de la fenêtre FT, alors la GPC reste parfaitement stable.
Si au contraire la température de dépôt est inférieure à la borne inférieure Tmin de la fenêtre FT, alors le précurseur se condense à la surface du substrat (entraînant une augmentation artificielle de la GPC), au lieu d’être chimisorbé (de façon autolimitée). Plusieurs couches de molécules de précurseur peuvent se physisorber sur le substrat en s’empilant les unes sur les autres. La physisorption n’est en effet pas autolimitée et on observe alors une vitesse de dépôt plus élevée. Ce cas de figure correspond à la région 41 de la figure 4. Alternativement, toujours en cas de températures de dépôt inférieures à la borne inférieure Tmin de la fenêtre FT, la physisorption peut ne pas avoir lieu dans le cas où l’énergie thermique n’est pas suffisante. Cette énergie thermique minimale est fonction de la nature du précurseur et du substrat. Si cette température est trop basse pour que les réactions de surface aient lieu, alors aucune croissance de film n’est observée. Ce cas de figure correspond à la région 42 de la figure 4.
Ainsi, la fenêtre nominale FT est telle qu’en faisant varier la température de dépôt PEALD, pour des températures prises en dessous de la fenêtre nominale FT, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD varie. Par exemple, en faisant varier la température Tcycie de plus de 10°C en dessous de Tmin, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD varie de plus de 5%, voire de plus de 10%. Alors qu’on faisant varier la température Tcycie de plus de 10°C à l'intérieur de la fenêtre nominale FT, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD ne varie pas ou pas de plus de 2% voire pas de plus de 1%.
Les régions 43 et 44 correspondent à des situations dans lesquelles la température de dépôt est supérieure à la température maximale Tmax de la fenêtre FT. Dans ce cas, le précurseur peut se décomposer et le mode de dépôt devient de type dépôt chimique en phase vapeur (CVD ou pseudo-CVD) avec une croissance de film beaucoup plus rapide engendrée par la perte du caractère autolimité de la réaction. Ce cas de figure correspond à la région 43 de la figure 4. La température élevée peut aussi activer la désorption du précurseur chimisorbé et conduire à une baisse de la GPC (région 44 de la figure 4). Le plus souvent, ces deux phénomènes (décomposition du précurseur 43 et activation de la désorption 44) sont concurrentiels et simultanés.
Ainsi, la fenêtre nominale FT est telle qu’en faisant varier la température de dépôt PEALD, pour des températures prises au-dessus de la fenêtre nominale FT, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD varie. Par exemple, en faisant varier la température Tcycie d’au moins 10°C au-dessus de Tmax, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD varie de plus de 5%, voire de plus de 10%, voire de plus de 20%. La largeur minimale de la fenêtre nominale est de préférence supérieure à 10°C, de préférence supérieure à 20°C. Le plus souvent cette fenêtre présente une largeur supérieure à 100°C, voire 200 degrés. La largeur de cette fenêtre varie néanmoins selon les précurseurs utilisés. L’homme du métier sait parfaitement identifier, pour un précurseur donné, la fenêtre nominale ainsi que ses bornes.
En mode PEALD, la fenêtre de température est plus large qu’en mode ALD, et souvent plus étendue vers les basses températures qu’en ALD. L’ingénieur procédé chargé de la mise au point des paramètres expérimentaux sait déterminer cette fenêtre en mode ALD ou PEALD.
La couche déposée est à base d’au moins un matériau susceptible d’être déposé par (PEALD). Typiquement il s’agit d’une couche faite ou est à base d’un nitrure, d’un oxyde ou d’un sulfure.
L’invention va maintenant être décrite en détail en référence à plusieurs modes de réalisation illustrés en figures 5 à 10.
Mode de réalisation illustré en figure 5 et 6
Un premier exemple de procédé selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 5 et 6. La figure 5 illustre, de manière schématique, les principales étapes de ce mode de réalisation.
Les figures 1A et 2 décrites précédemment correspondent respectivement à un exemple de substrat de départ et à une structure que l’on souhaite obtenir au final. La figure 6 illustre le résultat intermédiaire obtenu avant une étape de gravure sélective. Comme illustré en figure 5, le procédé comprend une séquence comprenant une itération de N cycles 1.
Chaque cycle 1 comprend au moins les étapes suivantes :
Une première étape comprend l’injection 10 dans la chambre de réaction du réacteur d’un premier précurseur. Ce premier précurseur est pris parmi les précurseurs métalliques, métalloïdes ou lanthanides. Ce précurseur peut être à base de l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), tantale (Ta), silicium (Si),, hafnium (Hf), zirconium (Zr), Cuivre (Cu), Ruthénium (Ru), Lanthane (La), Yttrium (Y).
Une deuxième étape est une étape de purge 20. Cette purge 20 est effectuée pour éliminer l’excès du premier précurseur, c’est-à-dire pour évacuer les réactifs du premier précurseur qui n’ont pas réagi, ainsi que les produits réactionnels. Au cours de cette purge, de préférence on injecte dans la chambre de réaction un gaz de balayage neutre tel que de l’argon (Ar) ou du diazote (N2).
Une troisième étape 30 comprend une injection 31 dans la chambre de réaction d’un deuxième précurseur et une étape de stabilisation de la pression, ainsi qu’une étape 32 de formation du plasma. Ce deuxième précurseur peut être par exemple un plasma généré dans une atmosphère à base d’oxygène pour la croissance d’oxydes, d’azote et/ou d’hydrogène ou d’ammoniac (NH3) pour la croissance de nitrures, ou de sulfures. Pour les sulfures, les premiers précurseurs 1 contiennent déjà des atomes de sulfure, et le deuxième précurseur est réducteur (H2 ou NH3 en ALD ou PEALD).
Une quatrième étape est une étape de purge 40. Cette purge 40 est effectuée pour éliminer l’excès du deuxième précurseur ainsi que les produits réactionnels. La flèche en trait plein donne une indication, à titre d’exemple uniquement, des durées relatives du cycle et de chacune de ces étapes 10 à 40.
On notera que la première étape et la troisième étape peuvent être inversées en étant chacune accompagnée d’une étape de purge. Ainsi, en alternative à ce qui est illustré en figure 5, le procédé peut être mis en œuvre sur la chronologie suivante : 30, 40, 10, 20. Dans ce cas particulier, la première étape plasma 30 sert à activer la surface du substrat pour faciliter l’accroche du puise précurseur métallique 10. Cette inversion a surtout de l’importance pour la croissance sélective en pleine plaque (2D).
Chaque cycle 1 permet la formation d’une monocouche. Si on commence par une étape plasma 30, alors la monocouche sera réalisée au bout de 1,5 cycle. On notera que la température Tcycie imposée au substrat lors de cycles est inférieure à la borne inférieure Tmin de la fenêtre nominale FT de température.
Selon un exemple avantageux, les cycles sont effectués à une température Tcycie telle que Tcycie£(Tmin - 20°C), Tcycie étant Tmin en degrés Celsius (°C). De préférence, Tcycie £ (Tmin - 50°C). Tcycie peut être supérieure ou égale à la température ambiante. Dans ce mode de réalisation, on notera également que lors de la formation 32 du plasma, on applique au substrat 100 une polarisation, habituellement appelée bias. En pratique, la chambre de réaction comprend un porte-échantillon pour réceptionner la structure 100. Le porte-échantillon est conducteur électriquement et une tension de polarisation est appliquée à ce porte-échantillon pour être transmise au substrat 100 et ainsi qu’à sa face avant.
Cette tension de polarisation V ias-substrat est appliquée au substrat 100 par exemple via un dispositif de régulation de la tension tel qu’un générateur de puissance radiofréquence. La tension de polarisation VbiaS-substrat peut par exemple être strictement inférieure à 0 (<0 V) . Une tension de polarisation V ias_substrat non nulle peut être positive ou négative.
Cette tension de polarisation V ias.SUbstrat appliquée au substrat est distincte du potentiel du plasma Vpiasma. La tension de polarisation V ias-SUbstrat, se distingue en effet du potentiel du plasma Vpiasma qui est induit, de manière parfaitement classique par la source du plasma afin de générer les ions et radicaux et donc initier le dépôt de diélectrique. La tension de polarisation V ias-SUbstrat est contrôlée de manière indépendante du potentiel du plasma Vpiasma induit par la source. La tension de polarisation V iaS-substrat est plus particulièrement appliquée sur un plateau de réception du substrat. « Appliquée au substrat » signifie que la tension de polarisation VbiaS-substrat est appliquée au plateau qui supporte le substrat 100, de préférence qui est au contact du substrat 100, que le substrat 100 soit conducteur ou non. En pratique, comme par exemple illustré par la figure 11, la chambre de réaction 310 du réacteur 300, ici un réacteur ICP, comprend un plateau de réception 320 du substrat 100. Ce plateau peut également être qualifié de porte-échantillon. Selon un exemple, la tension de polarisation V ias-substrat est appliquée au plateau 320. De préférence, la tension de polarisation V ias-substrat est appliquée uniquement au plateau 320. Selon cet exemple, le plateau 320 est conducteur électriquement et la tension de polarisation V ias.SUbstrat est appliquée à ce plateau 320 par un dispositif de régulation de la tension 370 pour être transmise au substrat 100.
L’application de cette tension de polarisation V ias.SUbstrat, apporte des avantages considérables. En particulier, cette polarisation permet de moduler l’énergie des ions du plasma de façon contrôlée grâce au dispositif de régulation 370. Dans une gaine non-collisionnelle, l’énergie des ions dépend en effet du potentiel du plasma et de la tension de polarisation du substrat, selon la relation suivante.
[Math.1]
Eion — (Yplasma ~ ^bias- substrat)
Avec q la charge de l’ion. En appliquant une tension de polarisation V ias.SUbstrat, l’efficacité du bombardement ionique en surface peut être augmentée, tout en préservant la surface exposée 101 du substrat 100. Sa répétabilité est en outre améliorée par rapport aux solutions existantes, notamment celles ayant recours au potentiel du plasma Vpiasma induit par la source plasma pour moduler le bombardement ionique qui sont en pratique difficile à maîtriser pour obtenir un résultat répétable.
Le plasma et la polarisation V ias-SUbstrat sont réglés, de sorte à donner une direction privilégiée au flux 33 des ions générés par le plasma. Cette direction privilégiée est orientée de sorte que des premières surfaces 110 du substrat 100 soient exposées au flux 33 d’ions et que les deuxièmes surfaces 120 du substrat 100 ne soient pas exposées du flux 33 d’ions.
Dans l’exemple non limitatif du substrat 100 en figure 6, la direction privilégiée du flux 33 des ions générés par le plasma étant perpendiculaire à la face arrière 102 du substrat 100, alors :
- les premières surfaces 110 correspondent aux surfaces horizontales, c’est à dire aux sommets 111 et aux fonds 112 des tranchées 101 ; - les deuxièmes surfaces 120 correspondent aux surfaces verticales, c’est à dire aux flancs 112 des tranchées 101.
La tension de polarisation V iaS-substrat appliquée est inférieure à 300 volts de préférence inférieure à 150 volts. Habituellement cette polarisation est contrôlée par le réglage de sa puissance. Cette polarisation est donc habituellement exprimée en watts (W). Dans le cadre de l’invention, cette puissance de polarisation Pbias-substrat est de préférence inférieure à 150W, de préférence inférieure ou égale à préférence 100 W en valeur absolue (|Vbias-substrat|)· Au-delà de cette valeur, on risque de pulvériser la surface exposée ou d’implanter les ions dans la surface exposée. La figure 11 illustre un schéma d’un réacteur plasma 300 qui peut être utilisé pour mettre en œuvre le procédé. De préférence, le procédé est mis en œuvre dans un réacteur plasma de dépôt PEALD.
Selon un exemple, le réacteur 300 comprend une source plasma 360 déportée par rapport à la chambre de réaction 310. Ainsi, le potentiel du VpiaSma est déporté du substrat 100. L’effet de la tension de polarisation Vbias-substrat augmente l’énergie des ions du plasma au niveau du substrat. En l’absence de V ias-substrat, pour une tension nulle, l’énergie des ions est égale au produit de la charge de l’ion par le potentiel du plasma Vpiasma. L’efficacité du bombardement ionique sur la surface 101 peut ainsi être mieux contrôlée que par rapport à une source non-déportée ou une source déportée qui n’est pas associée à l’application d’une tension de polarisation V ias.substrat· Pour cela on prévoit par exemple par un second dispositif de régulation de la tension du substrat. La répétabilité de la densification de la face exposée 101 est par conséquent améliorée. En outre, l’utilisation d’une source déportée permet d’éviter tout contact direct entre le plasma dans sa zone de formation et le substrat 100, pouvant endommager le substrat. L’utilisation d’une source plasma déportée minimise en outre la directivité du traitement par plasma. Le traitement d’une structure en trois- dimensions, notamment d’une nanostructure, est facilité.
Plus particulièrement, le procédé est mis en œuvre dans un réacteur plasma à couplage inductif, habituellement qualifié par son acronyme ICP du vocable anglais Inductively Coupled Plasma. De préférence, la source est une source inductive radiofréquence, qui permet d’avoir un plasma stable à une puissance Ppiasma bien inférieure par rapport à d’autres sources, par exemple une source micro-onde. Selon un exemple, la puissance Ppiasma de la source radiofréquence inductive est comprise entre 100 et 300 W, de préférence 200 W. Plus la puissance de la source radiofréquence inductive est augmentée, plus on augmente le flux d’ions pouvant atteindre le substrat 100. Le réacteur 300 comprend une chambre de réaction 310 à l’intérieur de laquelle est disposé un plateau 320. Ce plateau 320 est configuré pour accueillir le substrat comprenant la structure 100. Le substrat repose sur le plateau 320 par une surface arrière. La face avant 101 de la structure 100 est exposée aux espèces présentes dans la chambre de réaction 310. Dans cet exemple non limitatif, le substrat forme la structure 100 portant les premières surfaces 110 et les deuxièmes surfaces 120 inclinées les unes par rapport aux autres. Le plateau 320 est électriquement conducteur. De manière relativement classique, le réacteur comprend une entrée 330 des gaz permettant d’injecter à l’intérieur de la chambre 310 les gaz destinés à former la chimie du plasma ainsi que les gaz destinés aux phases de purge 20, 40. La source plasma 360 est selon un exemple un dispositif de couplage par induction, dont une bobine est illustrée en figure 11 , et qui permet la formation du plasma. Le réacteur 300 comprend également une valve 340 d’isolation de la chambre de réaction 310. Le réacteur 300 comprend également une pompe 350 pour contrôler la pression à l’intérieur de la chambre de réaction 310 de façon synergique avec le débit des gaz injectés, et extraire les espèces présentes dans la chambre de réaction 310.
De manière avantageuse, ce réacteur 300 comprend un dispositif de polarisation 370 configuré pour permettre l’application de la tension de polarisation V iaS-substrat au plateau 320, par exemple via un générateur de puissance radiofréquence. Cette tension peut in fine être appliquée au substrat 100, tout au moins à sa face tournée au regard du plateau 320, que cette face soit électriquement conductrice ou non. Ce dispositif de polarisation 370 est de préférence distinct de la source plasma 360. Ce dispositif de polarisation 370 comprend un dispositif de contrôle 371 et permet d’appliquer une tension alternative sur le plateau 320. De préférence ce dispositif de contrôle 371 comprend une unité d’adaptation automatique (qualifiée par son vocable anglais d’auto match unit) qui adapte l’impédance dans la chambre et de la source d’ions à celle du générateur radiofréquence. Ce dispositif de polarisation 370 est configuré pour permettre l’application au plateau 320 de la tension de polarisation V ias_ substrat dont l’amplitude est faible, typiquement pour que la puissance Pbias-substrat soit inférieure ou égale à 150 Watts, et de préférence comprise entre 10 et 120 W.
Le dispositif de polarisation 370 et la source plasma 360 sont configurés de sorte à pouvoir régler la tension de polarisation V ias-substrat appliquée au plateau 320 indépendamment du potentiel du plasma Vpiasma. V ias.SUbstrat et Vpiasma sont indépendantes. Vbias.SUbstrat et Vpiasmasont contrôlées de manière indépendante. La puissance Ppiasma de la source radiofréquence inductive est comprise entre 100 et 300 W, de préférence 200 W. Avec un réacteur ICP, il n’est pas possible est très difficile d’obtenir un plasma avec une puissance Ppiasma inférieure à 100 W. À l’inverse, Pbias-substrat peut parfaitement être inférieur à 100 watts.
On voit donc clairement que les puissances Pbias-substrat et PpiaSma ont des fonctions différentes et des amplitudes qui peuvent donc être différentes. Selon un exemple, Pbias-substrat ^ P plasma. Selon un exemple, Pbias-substrat ^ 0.8 P piasma. Selon
Un exemple, Pbias-substrat ”' 0.65 P p|asma.
La combinaison de ces deux paramètres (Tcycie et polarisation V ias_substrat) confère des avantages considérables qui sont présentés ci-dessous.
Lorsque la température du procédé est régulée en deçà de la température minimum de la fenêtre PEALD, les processus de condensation (physisorption) sont responsables de la croissance. Ces processus n’étant pas autolimités, le dépôt résultant montre que le matériau formé présente une densité détériorée et l’inclusion d’une quantité importante de contaminations carbonées issues de la mauvaise décomposition du précurseur 1, en raison d’une température d’activation (au niveau du substrat) trop faible. L’application d’une polarisation radiofréquence (RF) supplémentaire Vbias-substrat au niveau du porte échantillon pendant l’étape d’injection du précurseur 2 avec formation du plasma permet l’extraction des ions du plasma pour les amener perpendiculairement au voisinage du film en cours de croissance. Ce flux 33 d’ions dont l’énergie incidente peut être modulée par l’amplitude de la polarisation du substrat 100 permet de tirer profit de la synergie qu’il crée au cours du dépôt avec les radicaux du plasma. Seules les surfaces exposées au flux d’ions énergétiques extraits du plasma par la polarisation du substrat 100 (les surfaces horizontales 110 sur l’exemple non limitatif de la figure 6) peuvent bénéficier des effets induits par ces ions au cours de la croissance PEALD. Ces effets se caractérisent par le fait que, par des mécanismes de synergie entre les radicaux activés et les ions du plasma, les propriétés physicochimiques des couches minces élaborées par PEALD assistée par polarisation RF du substrat sont modifiées. En effet, on observe dans le film exposé au flux 33 d’ions une amélioration significative de la pureté chimique, de la stœchiométrie et de la densité du matériau de ce film déposé par PEALD, qui peut s’accompagner d’une micro-cristallisation ou d’une modification morphologique, ainsi que d’une vitesse de dépôt améliorée.
Ainsi, lorsque l’on combine un procédé PEALD avec Tcycie < Tmin sous bombardement ionique, seules les surfaces exposées au flux ionique (ici les surfaces horizontales 110) sont recouvertes d’une couche mince de bonne qualité (pureté, stœchiométrie, densité améliorées par le bombardement ionique), alors que les surfaces non exposées au flux ionique (ici les surfaces verticales 120) sont recouvertes du même matériau mais de moins bonne qualité.
La figure 6 illustre de manière schématique le résultat obtenu dans ces conditions opératoires. La couche 200 comprend alors : - des premières régions 210 (211 sur les sommets et 212 dans le fond des tranchées
101) qui présentent une bonne qualité et
- des deuxièmes régions 220 (sur les flancs 112 des tranchées 101) qui présentent une qualité bien moindre.
En particulier cette qualité moindre se manifeste par une densité moindre du matériau dans ces deuxièmes régions 220. Cette qualité moindre se manifeste également par un taux de défaut et/ou un taux d’impuretés supérieur dans ces deuxièmes régions 220.
Dans ce mode de réalisation, la polarisation (V iaS-substrat ¹0) est appliquée lors de l’étape de formation du plasma 32 de chaque cycle PEALD. Ainsi, le plasma 32 a à la fois pour rôle de réactiver les ligands du précurseur 1 pour les rendre réactifs vis-à-vis du précurseur 1 et à la fois pour rôle de densifier la couche au fur et à mesure de sa formation de manière sélective sur certaines régions seulement.
Il en résulte que le plasma sous polarisation procure son effet avantageux sur toute l’épaisseur de la couche 200 formée par PEALD. Ainsi, les régions 210, 211, 212 exposées au flux 33 d’ions sont rendues plus denses sur toute leur épaisseur. Ainsi, comme illustré en figure 6, l’épaisseur e2n rendue dense dans les régions 211 de la couche 200 recouvrant les surfaces horizontales 111 est égale à l’épaisseur totale e2oo de la couche 200. A l’inverse, dans les régions 220 de la couche 200 recouvrant les surfaces verticales 120, l’épaisseur de la couche rendue dense est nulle. Le procédé comprend en outre une étape de gravure sélective, référencée 50 en figure 5, qui est configurée pour retirer sélectivement les deuxièmes régions 220 de faible qualité vis-à-vis des premières régions 210 de haute qualité. Cette sélectivité de la gravure tire profit de la plus faible densité du matériau et/ou de son taux d’impuretés plus élevé des régions 220 non exposées au flux 33 d’ions du plasma sous polarisation.
La gravure 50 peut être effectuée par voie humide ou sèche. La sélectivité à la gravure est d’au moins un facteur 2.
On obtient alors la structure souhaitée comme illustrée en figure 1 B. Ce dépôt sélectif en fonction de l’orientation des surfaces 110, 120 du substrat par rapport au flux 33 d’ions permet de se passer des étapes habituelles de lithographie qui sont fastidieuses et génèrent de nombreuses imprécisions. Exemple particulier de réalisation
Les paragraphes qui suivent décrivent un exemple non limitatif de réalisation de la présente invention. Cet exemple s’applique particulièrement bien au mode de réalisation décrit en référence aux figures 5 et 6 dans lequel le plasma de dépôt joue également le rôle de plasma de densification. Néanmoins, les caractéristiques proposées ci-dessous sont applicables et combinables à chacun des modes de réalisation décrits ci-dessus et ci-dessous.
L’exemple donné suivant concerne un dépôt de Ta205 de 10 nm. Néanmoins, ce procédé et les caractéristiques mentionnés ci-dessous, peuvent être appliqués à des épaisseurs de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres (03 à 100 nm) et à tout type de matériaux déposés par PEALD (oxydes, nitrures et sulfures).
1. Séquence de formation de la couche par PEALD:
Pour former la couche de Ta205 par PEALD, on effectue une pluralité de cycles 1 tels que celui illustré en figure 5 et décrit ci-dessus. On peut appliquer les conditions suivantes lors de cette séquence de cycles.
- Précurseur. Pour former une couche de Ta205, le précurseur utilisé, typiquement celui injecté lors de l’étape 10 est du TBTDMT, i.e., du Tris(dimethylamine)tert- Butylamino)tantalum Ta(N(C4H9))(N(CH3)2)3.
- Température de dépôt :La température de dépôt Tcycie, c’est-à-dire la température de la structure 100, est égale à 100°C. Cette température est inférieure de 100°C à la température Tmin de borne inférieure de la fenêtre FT de température PEALD pour ce précurseur. Il est préférable de s’écarter de cette température inférieure d’au moins une centaine de degrés, de façon à détériorer significativement la qualité du dépôt sans assistance ionique, ce qui augmente la sélectivité de l’étape de gravure ultérieure. De cette sorte, le retrait ultérieur de ce matériau par gravure humide ou plasma est facilité, en raison du taux élevé d’impuretés carbonées présentes dans le dépôt et lié à la décomposition incomplète du précurseur organométallique (précurseur 1) traditionnellement utilisé pour les procédés PEALD. On peut recourir à des températures Tcycie strictement inférieures à 100°C. Par exemple, Tcycie peut être inférieure ou égal à 80 °C, et de préférence inférieure ou égale à 50 °C. Selon un exemple, Tcycie est égale à la température ambiante. Cela signifie que le réacteur dans lequel les étapes du procédé sont mises en œuvre peut ne pas être chauffé par des moyens de chauffage.
- Energie de la polarisation RF au niveau du substrat : La puissance Pbias-substrat de la polarisation RF appliquée au substrat doit être optimisée pour induire une synergie efficace entre les ions et les radicaux du plasma, c’est-à-dire conduisant à la densification du dépôt et l’élimination des impuretés carbonées. Il faut toutefois veiller à ce que cette puissance ne soit pas trop élevée afin d’éviter l’apparition de défauts induits par le bombardement par les ions issus du plasma, tels que la rugosification de surface, la pulvérisation ou l’implantation de la surface exposée. Pour cela, une faible puissance RF Pbias est préconisée, typiquement 10 W £Pbias£ 120 W.
La vitesse de dépôt, à 100°C, est de 0,115 nm/cycle. On ajuste le nombre de cycles pour atteindre l’épaisseur souhaitée à l’issue de cette séquence de cycles 1. Typiquement, à l’issue de cette séquence, la couche présente une épaisseur e2oo variant de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres.
2. Retrait des régions moins denses de la couche déposée par PECVD:
Après avoir formé la couche 200 par PEALD, en définissant sélectivement dans cette couche 200 d’une part des régions 210 de bonne qualité (forte densité, faible taux d’impuretés) recouvrant certaines surfaces 110, et d’autre part des régions 220 de qualité dégradée (faible densité, taux élevé d’impuretés) recouvrant d’autres surfaces 120, on procède à l’étape 50 de gravure sélective.
En raison de l’utilisation de précurseurs organométalliques en PEALD, les impuretés présentes dans la couche déposée sur les surfaces 120 non exposés au flux 33 d’ions sont très majoritairement d’origine carbonée. De plus, le dépôt y étant très peu dense, on utilisera préférentiellement un retrait sélectif de cette couche par voie humide. Par exemple, une solution HF diluée typiquement de 1% à 5% (de préférence 5%) se montre parfaitement sélective entre un oxyde métallique dense et le même oxyde très peu dense et contenant des impuretés carbonées.
Par exemple, une trempette dans HF 5% d’une durée de 50 secondes permet de retirer 10 nm de Ta205 non densifié élaboré en PEALD à 100°C, sans graver la couche Ta205 densifiée par l’exposition au flux d’ions.
Mode de réalisation illustré en figures 7 et 8
Un deuxième exemple de procédé selon l’invention va maintenant être décrit en référence aux figures 7 et 8. La figure 7 illustre, de manière schématique, les principales étapes de ce mode de réalisation. Ce procédé diffère de celui du mode de réalisation précédent par le fait que la polarisation du substrat est appliquée seulement lors du ou des derniers cycles.
Plus en détail, la séquence de formation de la couche 200 par PEALD comprend :
- un premier ensemble de cycles, notés 1A. Ces cycles 1A sont identiques au cycle de PEALD, illustré en figure 5, à l’exception près qu’aucune polarisation du substrat n’est appliquée lors du plasma 32A. Tout au moins, aucune polarisation du substrat n’est appliquée lors de ce plasma 32A avec un réglage permettant de générer un flux 33 d’ions qui bombarde sélectivement les surfaces 110 exposées sans bombarder les surfaces 120 non exposées. Lors de ces cycles 1A, la température de dépôt Tcycie est inférieure à la borne inférieure Tmin de la fenêtre nominale FT, comme dans le mode de réalisation illustré en figures 5 et 6. Ce premier ensemble de cycles 1A conduit à la formation d’une portion 200A de couche 200. Comme illustré en figure 8, la portion 200A s’étend depuis la structure 100, de préférence depuis sa face avant 101. Elle recouvre de préférence toute la structure 100. Elle est conforme. Elle présente une épaisseur constante, identiques sur toutes les surfaces 110, 120 de la structure 100. Cette couche 200A présente une qualité dégradée du fait de la température Tcycie faible et de l’absence d’exposition à un flux 33 d’ions.
- un deuxième ensemble de cycles, notés 1B. Ces cycles 1B sont identiques au cycle de PEALD, illustré en figure 5. Une polarisation V iaS-substrat est appliquée lors du plasma 32B avec un réglage permettant de générer un flux 33 d’ions qui bombarde sélectivement les surfaces 110 exposées sans bombarder les surfaces 120 non exposées. Lors de ces cycles 1B également, la température de dépôt Tcycie est inférieure à la borne inférieure Tmin de la fenêtre nominale FT, comme dans le mode de réalisation illustré en figures 5 et 6. Comme illustré en figure 8 la couche 200 obtenue au final présente ;
- dans les régions qui ont été exposées au flux 33 d’ions (ici des régions qui s’étendent perpendiculairement au flux 33): des portions 211 B et 212B qui présentent alors une très bonne qualité. Ces portions 211 B et 212B surmontent les portions 211 A, 212A formés lors du cycle 1A qui présentent quant à elles une qualité dégradée. Ainsi, dans ces régions 211, 212 horizontales, l’épaisseur e2oo de la couche est égale à la somme de l’épaisseur e211A des portions 211A et de l’épaisseur e2nB des portions 211 B. - dans les régions 220 qui n’ont pas été exposées au flux 33 d’ions (ici des régions qui s’étendent parallèlement au flux 33). Ces régions 220 présentent une qualité dégradée. Ces régions 220 ont été formées par dépôts successifs des cycles 1A et 1B.
Lors de l’étape 50 de gravure sélective, toute l’épaisseur des régions 220 de la couche 200 sont gravées. En revanche, dans les régions 211, 212, les portions superficielles 211 B, 212B résistent à la gravure et protège également les portions 211 A et 212A qui leur sont sous-jacentes.
Au cours de l’étape 50 de gravure sélective, on évite que la couche 211A soit consommé ce qui entraînerait le retrait de la couche 211 B par lift-off (soulèvement). A cet effet on pourra privilégier une gravure sèche pour l’étape 50. Ainsi, dans ce mode de réalisation, lors des NB derniers cycles de formation de la couche initiale 200 par PEALD, le plasma 32B a pour rôle de densifier la couche déposée en plus de participer au dépôt PEALD de cette couche. Le plasma 32B peut alors être qualifié de plasma de densification et de plasma de dépôt. Au contraire, lors des NA premiers cycles, les étapes 32A de plasma n’ont pas pour rôle de densifier la couche déposée. Le plasma 32A peut alors être qualifié de plasma de dépôt mais pas de plasma de densification. Si le nombre total de cycles est égal à NA+NB, NA et NB étant des entiers non nuis, de préférence, NB < 10 et de préférence NB < 3, de préférence NB = 1.
Naturellement, les cycles 1A et 1B sont de préférence effectués dans le même réacteur. De préférence, le cycle 1B est réalisé directement après le cycle 1A, de préférence dans la continuité du cycle 1A, avec pour seul changement, l’application de la polarisation.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une alternance de cycles 1A de dépôt sans polarisation V iaS_substrat t de cycles 1B de dépôt avec polarisation V ias_substrat· De préférence, pour chaque séquence, le nombre NB de cycle de dépôt avec polarisation est égal à 1.
Mode de réalisation illustré en figure 9
Un troisième exemple de procédé selon l’invention va maintenant être décrit en référence à la figure 9. La figure 9 illustre, de manière schématique, les principales étapes de ce mode de réalisation. Ce procédé diffère de celui du mode de réalisation illustré en figures 5 et 6 principalement par le fait que la densification sélective de la couche 200 est réalisée uniquement à l’issue des cycles PEALD.
Plus précisément :
- au cours de chacun des cycles 1 PEALD, le plasma 32 est formé sans appliquer de polarisation (V ias_substrat = 0). On peut ainsi qualifier le plasma 32 de plasma de dépôt. Ce plasma ne permet pas de densifier la couche 200 déposée. Cette couche déposée présente donc une qualité dégradée, du fait de la température de dépôt Tcycie prise en dessous de la fenêtre FT nominale.
- à l’issue des cycles 1 PEALD, on expose la surface de la couche 200 déposée à un bombardement ionique généré par un plasma 60. On applique une polarisation à ce plasma 60, de sorte à générer un flux d’ions selon une direction privilégiée. Cette direction privilégiée permet d’exposer certaines régions 210, 211, 212 de la couche à un bombardement ionique sans pour autant que ce bombardement ionique atteigne les surfaces 220. Cette exposition à l’aide d’un plasma 60 avec polarisation permet de densifier les régions exposées. Ce plasma 60 peut ainsi être qualifié de plasma de densification. Selon un mode de réalisation, ce plasma 60 de densification peut être réalisé en une seule exposition.
Ainsi, seule la portion superficielle des surfaces exposées au flux 33 est densifiée. Cette portion superficielle vient ainsi protéger la couche 200 dans les régions 210, 211, 212 seulement et laisse à découvert les autres régions 220 de la couche 200. Cette portion superficielle suffit à empêcher la gravure des régions 210, 211, 212. Les régions 220 non protégées sont quant à elles retirées lors de la gravure.
Le plasma de densification 60 peut être un plasma à base par exemple d’argon (Ar), de dioxygène (02) ou de diazote (N2). L’étape plasma de densification 60 est de préférence effectuée à basse pression pour une densification anisotrope. De préférence, la pression est inférieure à 80 mTorr. Selon un exemple particulièrement avantageux, cette pression est de 10 mTorr. La puissance de polarisation est comprise entre 10 W et 120 W, de préférence entre 10 W et 90 W, en fonction des conditions précédentes, et du matériau déposé. Cette densification se fera de préférence in situ, c’est-à-dire dans le réacteur ayant servi aux cycles 1 PEALD. De préférence, cette étape de densification est effectuée immédiatement après la séquence de PEALD. Alternativement, cette étape de densification par plasma peut également être réalisée ex-situ, c’est-à-dire après avoir retiré la structure 100 du réacteur ayant servi la séquence de PEALD. Par rapport aux modes de réalisation précédents, ce mode de réalisation présente pour avantage de ne pas endommager le substrat 100 par le bombardement ionique. Cette route peut également faciliter l’accroche du matériau déposé sur le substrat, en raison de la faible quantité de précurseur adsorbé dans les premiers cycles, conduisant à la faible densité du matériau. En outre, ce mode de réalisation présente pour avantage de pouvoir être mis en œuvre dans un réacteur autre que celui ayant servi aux cycles 1A de dépôt PEALD sans polarisation. On peut donc mettre en œuvre ce mode de réalisation lorsque le réacteur PEALD ne permet pas l’application d'une polarisation. Ce mode de réalisation impose donc moins de contraintes sur les équipements nécessaires. L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s’étend à tous les modes de réalisation couverts par les revendications.
Les paragraphes qui suivent visent à décrire des variantes. Les caractéristiques des variantes proposées ci-dessous sont applicables et combinables à chacun des exemples mentionnés précédemment. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, les surfaces exposées au plasma avec polarisation (plasma de densification) sont horizontales et perpendiculaire à la direction privilégiée du flux 33 d’ions. On peut néanmoins parfaitement prévoir que l’angle entre la direction privilégiée du flux 33 d’ions et les surfaces exposées ne soit pas un angle à 90 degrés. Tel est par exemple le cas du mode de réalisation illustré en figure 10. Sur cette figure, la structure 100 est inclinée d’un angle a par rapport à la direction horizontale. Cet angle peut être obtenu en inclinant le porte-échantillon de la structure 100. Comme cela apparaît sur cette figure 10, il suffit que la forme des reliefs de la structure 100, c’est-à-dire la dimension et les inclinaisons des surfaces 110, 120 ainsi que la direction du flux 33 d’ions permettent :
- que des premières surfaces 110 soient atteintes par le flux d’ions, - que des deuxièmes surfaces 120 ne pas soient atteintes par le flux d’ions. Ces deuxièmes surfaces 120 peuvent par exemple être ombrées par les premières surfaces 110.
Ainsi, l’invention permet parfaitement de déposer sélectivement une couche 200 sur des premières surfaces 110 en laissant libre des deuxièmes surfaces 120 qui ne forment pas un angle droit avec les premières surfaces 110.
Les premières surfaces 110 de la structure 100, c’est-à-dire celles qui sont en regard du flux d’ions lors du plasma de densification peuvent présenter la même inclinaison, comme illustré sur les figures 6 et 8. L’invention s’étend néanmoins à une structure 100 dans laquelle les premières surfaces 110 présentent au moins deux inclinaisons différentes. Par exemple, certaines premières surfaces 110 forment un angle cp1 avec la face arrière 102 de la structure 100 et d’autres premières surfaces 110 forme un angle cp2 avec cette même arrière 102. De même, les deuxièmes surfaces 120 peuvent également présenter au moins deux inclinaisons.
Les premières surfaces 110 et les deuxièmes surfaces 120 de la structure 100, peuvent être sensiblement planes comme illustré sur les figures 6 et 8. L’invention s’étend néanmoins à une structure 100 dans laquelle ces premières 110 et/ou ces deuxièmes 120 surfaces ne sont pas planes.
Dans les exemples décrits ci-dessus la structure est un substrat 100 dont la structuration est formée par des rainures 101 ou des tranchées dont les flancs 120 forment des angles droits avec les sommets 111 et les fonds 112 des rainures 101. Tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci- dessus sont parfaitement applicables et combinables à un substrat présentant d’autres types de motifs. Il peut par exemple s’agir de rainures 101 dont les flancs 120 ne forment pas un angle droit avec les sommets 111 et les fonds 112 des rainures 101. Par ailleurs, il peut s’agir d’autres formes qui peuvent être très variées : des plots, des trous, des motifs en marche d’escalier etc. Par ailleurs, dans les exemples décrits ci-dessus, la structuration du substrat est répartie sur toute la face avant du substrat. Néanmoins, tous les exemples, caractéristiques, étapes et avantages techniques mentionnés ci-dessus en référence à une structure formant un substrat sont applicables à une structure ne formant pas un substrat ou une couche mais formant une structure ponctuelle, par exemple un relief en trois dimensions. La structure peut être une nanostructure ou comprendre une pluralité de nanostructures.
Par ailleurs, dans les exemples décrits ci-dessus, la structuration du substrat est portée par le substrat. Cette structuration peut parfaitement être portée ou formée par une couche portée par le substrat.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d’une couche recouvrant des premières surfaces (110) d’une face avant (101) d’une structure (100) et laissant à découvert des deuxièmes surfaces (120) de cette face avant (101), les premières surfaces (110) et les deuxièmes surfaces (120) présentant des inclinaisons différentes, le procédé comprenant au moins:
• une séquence de formation d’une couche initiale (200) par dépôt par couche atomique assisté par plasma (PEALD) sur la face avant (101) de la structure (100), la séquence comportant une pluralité de cycles (1), chaque cycle (1) comprenant au moins: une injection (10) d’un premier précurseur dans une chambre de réaction d’un réacteur contenant la structure (100), une injection (30) d’un deuxième précurseur dans la chambre de réaction et la formation dans la chambre de réaction d’un plasma, dit plasma de dépôt (32, 32A, 32B), de sorte à former à chaque cycle (1), sur lesdites premières (110) et deuxièmes (120) surfaces de la structure (100), un film formant une portion de ladite couche initiale (200), caractérisé en ce que : les cycles sont effectués à une température Tcycle telle que Tcycle£(Tmin - 20°C), Tmin étant la température minimale d’une fenêtre nominale (FT) de températures pour un dépôt PEALD à partir des premier et deuxième précurseurs, la fenêtre nominale (FT) étant telle qu’en faisant varier les températures de dépôt PEALD, en prenant ces températures de dépôt PEALD dans la fenêtre nominale, l’épaisseur du film déposé à chaque cycle PEALD reste constante, le procédé comprend au moins une étape d’exposition de la couche initiale (200), formée ou en cours de formation par PEALD, à un plasma, dit plasma de densification (32, 32B, 60), au cours de laquelle on applique à la structure (100) une polarisation non nulle de sorte à donner une direction privilégiée à un flux (33) d’ions générés par le plasma de densification (32, 32B, 60), cette direction privilégiée étant orientée pour qu’au moins une portion superficielle de la couche initiale (200), déposée ou en cours de formation par PEALD, présente: o des premières régions (210, 210A), recouvrant les premières surfaces (110) de la structure (100) et qui sont exposées au flux (33) d’ions du plasma de densification (32, 32B, 60), o des deuxièmes régions (220), recouvrant les deuxièmes surfaces (120) de la structure (100) et qui ne sont pas exposées au flux (33) d’ions du plasma de densification, le plasma de densification (32, 32B, 60), tout au moins la polarisation, étant configuré de sorte que l’exposition au flux (33) d’ions du plasma de densification (32, 32B, 60) rend le matériau des premières régions (210, 210A) plus résistant à la gravure que le matériau des deuxièmes régions (220), le procédé comprend également, à l’issue de l’au moins une étape d’exposition au plasma de densification (32, 32B, 60) de la couche initiale (200), formée ou en cours de formation par PEALD, au moins une étape de gravure sélective des deuxièmes régions (220) vis-à-vis des premières régions (210, 210) de sorte à ce qu’après gravure, la couche initiale (200) recouvre les premières surfaces (110) de la face avant (101) de la structure (100) en laissant à découvert les deuxièmes surfaces (120).
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l’étape d’exposition de la couche initiale (200) au plasma de densification (32) est effectuée à chaque cycle (1) de la séquence de formation de la couche initiale (200) par PEALD, le plasma de dépôt (32) étant le plasma de densification (32).
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’au moins une étape d’exposition de la couche initiale (200) au plasma de densification (32) est effectuée uniquement lors des NB derniers cycles (1B) de la séquence de formation de la couche initiale (200) par PEALD, lors de ces NB derniers cycles (1B) le plasma de dépôt étant le plasma de densification (32B), le nombre total de cycles de la séquence étant égal à NA+NB, NA et NB étant des entiers non nuis.
4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel NB =1.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’au moins une étape d’exposition de la couche initiale (200) au plasma de densification (60) est effectuée uniquement après la séquence de formation de la couche initiale (200) par PEALD.
6. Procédé selon l’une quelconque des trois revendications précédentes, comprenant une pluralité de séquences, chaque séquence comprenant NB étapes d’exposition de la couche initiale (200) au plasma de densification (32), NB étant un entier non nul.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cycles sont effectués à une température Tcycle inférieure à 100°C, de préférence inférieure à 80°C, de préférence inférieure à 50°C.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cycles sont effectués à une température Tcycle égale à la température ambiante.
9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les cycles sont effectués à une température Tcycle telle que : Tcycle£(Tmin - 50°C).
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel Tcycle£(Tmin - 100°C).
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur L = Tmax-Tmin de la fenêtre nominale FT est supérieure ou égale à 10°C, de préférence supérieure ou égale à 20°C.
12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la largeur L = Tmax-Tmin de la fenêtre nominale FT est supérieure ou égale à 100°C et de préférence supérieure ou égale à 200 degrés.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de la formation du plasma de densification (32, 32B, 60), la pression est inférieure ou égale à 80 mTorr et de préférence d’environ 10 mTorr.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la polarisation est appliquée avec une puissance de polarisation Pbias inférieure ou égale à 150 Watts, avec de préférence Pbias comprise entre 10 Watts et 120 W et avec de préférence Pbias comprise entre 10 Watts et 90 W.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les premières régions (210) exposées au plasma de densification (32, 32B, 60) et les deuxièmes régions (220) non exposées au plasma de densification (32, 32B, 60) diffèrent par au moins l’un des paramètres suivants : une densité du film et un taux d’impuretés.
16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche initiale (200) est faite ou est à base d’un nitrure ou d’un oxyde, de préférence obtenu à partir de précurseurs organométalliques, organosiliciés, ou halogénés.
17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la couche initiale (200) est faite ou est à base d’un sulfure.
18. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier précurseur comprend l’un des matériaux suivants : aluminium (Al), titane (Ti), tantale (Ta), silicium (Si), hafnium (Hf), zirconium (Zr), Cuivre (Cu), Ruthénium (Ru), Lanthane (La), Yttrium (Y).
19. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins certaines des premières (110) et deuxièmes (120) surfaces forment entre elles un angle droit.
20. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins certaines des premières (110) et deuxièmes (120) surfaces ne forment pas entre elles un angle droit et dans lequel une face arrière (102) de la structure (100) s’étend dans un plan, la perpendiculaire à ce plan étant inclinée, de préférence de plus de 10°, par rapport à la direction privilégiée du flux (33) d’ions.
21. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le nombre total N de cycles (1, 1A, 1B) de ladite séquence est de préférence supérieur ou égal à 15 et de préférence supérieur ou égal à 20.
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