FR2589593A1

FR2589593A1 - Masque de lithographie, procede de fabrication de ce masque et procede de fabrication d'un circuit integre a l'aide dudit masque

Info

Publication number: FR2589593A1
Application number: FR8512197A
Authority: FR
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-09
Filing date: 1985-08-09
Publication date: 1987-05-07

Abstract

MASQUE DE LITHOGRAPHIE, PROCEDE DE FABRICATION DE CE MASQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN CIRCUIT INTEGRE A L'AIDE DUDIT MASQUE. LE MASQUE DE LITHOGRAPHIE 8A SELON L'INVENTION EST REALISE EN SIO, X ETANT UN NOMBRE TEL QUE 0 X 2. CE MASQUE EST REALISE EN RECOUVRANT UN SUBSTRAT 6 D'UNE COUCHE 8 DE SIO ET EN IRRADIANT CETTE COUCHE A TRAVERS UN MASQUE D'IRRADIATION 10 REPRESENTANT EN POSITIF L'IMAGE DU MASQUE DE LITHOGRAPHIE 8A, AU MOYEN D'UN RAYONNEMENT ULTRAVIOLET 12.

Description

Masque de lithographie, procédé de fabrication de ce
masque et procédé de fabrication d'un circuit intégré
à L'aide dudit masque
La présente invention a pour objet un masque de lithographie et son procédé de fabrication. Ce masque est particuliérement bien adapté à la fabrication de circuits intégrés, par exemple de type MOS ou bipolaire, et plus spécialement à la réalisation des étapes de lithographie utilisées dans cette fabrication. Toutefois,
ce masque peut aussi etre utilisé dans le domaine de
L'optique intégrée pour la réalisation des éléments optiques (lentille, réseau, miroir) de différents systèmes optiques.

Dans la fabrication des circuits intégrés, par
exemple de type CMOS ou NMOS, on part d'une plaquette en matériau semiconducteur et notamment en siLicium mono
cristallin à laquelle on fait subir une suite de traite
ments physico-chimiques. Ces traitements consistent
principalement à déposer sur la plaquette semiconductri
ce des couches minces, isolantes, semiconductrices ou
conductrices, à graver ces couches selon des motifs geo-
métriques bien définis, et à diffuser ou implanter des
impuretés dans des zones précises notamment de la plaquette semiconductrice.

Pour ces différentes opérations, on utilise la
technique classique de lithographie. Cette technique
consiste tout d'abord à fabriquer sur le substrat à traiter (plaquette semiconductrice ou couche'déposée) un masque de lithographie.

Ce masque est obtenu en déposant sur le subs
trat une couche mince uniforme d'un matériau solide gé neralement photosensible, c'est-à-dire sensible à un
rayonnement visible, infrarouge ou ultraviolet, puis à
insoler ce matériau à travers un masque d'irradiation
représentant, en négatif ou en positif, Les motifs à former dans le masque de lithographie. Après cette irradiation, le matériau photosensible peut être déveLoppé ou révélé, c'est-à-dire subir un traitement spécifique généralement chimique.

En particulier, lorsque le matériau photosensible est une résine positive, le traitement chimique consiste à dissoudre les zones irradiées ou insolées de
La résine, et lorsque Le matériau photosensible est une résine négative, le traitement chimique consiste à dissoudre les zones non insolées.

Après réalisation du masque de lithographie en résine, on peut traiter le substrat comme désire (dépôt, gravure, oxydation, diffusion, implantation, etc...), ce traitement ne s'effectuant que dans les zones du substrat non recouvertes par le matériau photosensible restant, et donc selon des votifs géométriques précis prédéterminés. Après traitement du substrat, il ne reste plus qu'à enlever, généra Louent chimiquement, le matériau photosensible restant sur Le substrat.

Les matériaux photosensibles actuellement connus sont des résines constituées de corps chimiques organiques auxquels il est adjoint un réactif photosensible qui, lorsqu'il est insolé provoque une modification de la résine la rendant soluble chimiquement (résine négative) ou au contraire insoluble chimiquement (résine positive). Les résines positives sont généralement à base de phénolfornaldéhyde et les résines négatives à base de polyisoprene.

Les résines photosensibles généralement utilisées nécessitent plusieurs étapes successives pour la réalisation d'un masque (étaLement, durcissement, exposition, révéLation) qui se font chacune dans des machines différentes. La réaLisation de ces masques en résine est donc relativement longue et difficile à mettre en oeuvre.

Par ailleurs, ces résines photosensibLes manquent de résolution (de L'ordre de 1 pm) parce qu'elles sont sensibles à des Longueurs d'onde trop grandes (phénomène de diffraction). En effet, même les résines dites sensibles aux ultraviolets ne sont sensibles qu'à des longueurs d'onde comprises entre 350 et 450 nm, ce qui n'est pas à proprement parler des ultraviolets. Cette insensibilité des résines aux UV de Longueur d'onde inférieure à 350 nm est due à Leur structure moléculaire (grandes dimensions des moLécuLes et donc structure microcristalline).

Pour descendre en Longueur d'onde, et donc améLiorer la résolution des masques de lithographie, on a envisagé de rempLacer tes résines classiques par du polyméthacrylate de méthyLe (PMMA) renfermant un produit photosensible. Ce matériau a L'avantage de pouvoir tra vaille dans un domaine de Longueur d'onde comprise entre 240 et 350 nm.

Malheureusement, Lors de La fabrication de circuits intégrés, ce matériau est peu résistant aux agents d'attaque généraLement utiLisés dans les étapes de gravure du substrat semiconducteur et des différentes couches constituant ces circuits.

Pour augmenter La résoLution des masques de lithographie, on a aussi envisagé de remplacer Les résines photosensibles cLassiquement utilisées par des résines sensibles aux rayons X, aux faisceaux d'électrons ou bien aux faisceaus d'ions. MaLheureusement, l'utilisa- tion do rayons X pose un certain nombre de problèmes, tels que des probLèmes d'alignement ou de stabilité des masques. De même, l'empLoi des faisceaux d'électrons ou d'ions nécessite un appareiLlage et une mise en oeuvre coûteux, ce coût se répercutant sur le prix de vente des circuits intégrés fabriqués selon ces techniques.

La présente invention a justement pour objet un masque de lithographie et son procédé de fabrication, utilisable avantageusement pour La fabrication d'un circuit intégré qui permet notamment de remédier aux différents inconvénients donnés ci-dessus. En effet, Le mate riau constituant le masque objet de L'invention a
L'avantage de pouvoir être insole par un rayonnement ultraviolet dont la Longueur d'onde est comprise entre 240 et 350 nm. Par ailleurs, il est très résistant aux agents de gravure généralement utiLisés lors de La fabrication des circuits intégrés et est simple à réaliser.

De façon plus précise, L'invention a pour objet un masque de lithographie formé d'une couche d'un matériau comportant des motifs, caractérisé en ce que la couche est en SiOx, x étant un nombre tel que O < x 42.

De façon avantageuse, x varie de I à 1,9. Pour ces valeurs de x, on obtient un bon compromis entre la tenue du matériau aux agents d'attaque utilisés Lors de la réalisation d'un circuit intégré et la possibiLité d'éliminer facilement ce matériau après traitement du substrat sous-jacent dudit circuit. De préférence, x est choisi égal à 1,5.

Le masque selon L'invention est beaucoup plus résistant aux agents chimiques que Le PMMA, ce qui permet l'utilisation d'un masque de plus faible épaisseur.

L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un masque de~ lithographie, formé d'une couche de matériau comportant des motifs, caractérisé en ce qu'il comporte uniquement les étapes suivantes : - recouvrir la surface d'un substrat d'une couche de
SiOx, . x étant un nombre tel que Oex 42, sensible à un
rayonnement, et - irradier Localement cette couche de SiOx avec Ledit
rayonnement pour former Ledit masque.

Dans le procédé de fabrication de l'invention, il n'y a pas d'operation de développement ou de revela- tion puisque les zones de la couche de SiO x insolées se volatilisent durant l'insolation. Par ailleurs, par rapport au procédé de fabrication d'un masque en résine photosensible, L'étape de durcissement est supprimée.

Le procédé de fabrication d'un masque selon l'invention présente donc une mise en oeuvre beaucoup plus simple que celle des procédés de l'art antérieur.

De plus, les différentes étapes de fabrication d'un masque selon l'invention peuvent être réaLisées dans une même enceinte sous vide.

La réduction du nombre d'étapes et La simplicité du procédé de fabrication d'un masque selon L'invention permet de diminuer le coût des masques et donc le coût des circuits intégrés.

De façon préférentielle, L'irradiation de la couche de SiOx se fait à l'aide d'un rayonnement ultraviolet dont la longueur d'onde est inférieure à 350 nm et par exemple comprise entre 240 et 350 nm. L'utilisation d'une telle longueur d'onde permet d'obtenir une meilleure résolution des motifs que celles obtenues dans
L'art antérieur ; la résolution est inférieure à 0,1 pm.

La possibilité d'utiliser un rayonnement ultraviolet de longueur d'onde inférieure à 350 nm est en partie Liée à la structure amorphe de la couche de siox
x
L'irradiation locale de la couche de SiO x peut être réalisée en balayant selon un trajet prédéterminé la surface de cette couche ou bien en effectuant l'irradiation à travers un masque d'irradiation représentant l'image en positif du masque de b-ithographie à réaliser.

Le masque de lithographie selon l'invention ainsi que son procédé de fabrication peuvent avantageusement être utilisés lors de la fabrication d'un circuit intégré et en particulier lors d'une étape de traitement d'un substrat nécessitant l'emploi d'un masque.

Selon L'invention, le procédé de fabrication d'un circuit intégré utilisant un masque de SiOx, . où x est compris entre O et 2, se caractérise en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation à la surface du substrat du masque de li
thographie, - traitement du substrat, à travers Le masque, et - élimination du masque en irradiant totalement celui
ci.

De façon avantageuse, L'éLimination du masque se fait au moyen d'un rayonnement ultraviolet présentant notamment une longueur d'onde inférieure à 350 nm. Ce rayonnement peut avantageusement être le même que celui utilise lors de la fabrication du masque.

Selon L'invention, on peut effectuer les différentes étapes de fabrication du masque, de traitement du substrat, et d'elimination du masque dans une même enceinte et sous vide.

D'autres caractéristiques et avantages de
L'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles
- la figure 1 représente une courbe donnant l'épaisseur ev de la couche de SIOUX voLatiLisée en fonction de L'énergie E du rayonnement ultraviolet, et
- les figures 2 à 5 représentent les différentes étapes de fabrication d'un transistor MOS utilisant un masque de lithographie selon L'invention.

Le masque de lithographie selon l'invention est réalisé en SiOx, où x est un nombre positif inférieur à 2, et de préférence allant de 1 à 1,9. Ces valeurs correspondent à un bon compromis entre la tenue du matériau non insolé et la possibilite de volatiliser ce matériau lors de l'insolation. Avantageusement x est pris egal à 1,5.

Ce masque de Lithographie est réalisé en dépo- sant sur un substrat une couche de SiOx, par exempLe par évaporation sous vide d'une poudre de monoxyde de siLi
cium (SiO), dans une enceinte étanche ou règne un vide de 10 à å 10-5 Pascal. La couche de S#Cx formée est ensuite insolée ou irradiée Localement, soit à travers un masque d'irradiation représentant L'image en positif du masque de lithographie, soit en effectuant un baLayage de La couche de SiOx déposée suivant un trajet predéterminé.

Cette irradiation est réaLisée avec un rayonnement ultraviolet dont la Longueur d'onde est comprise entre 240 et 350 nm. Cette irradiation conduit directement à la formation du masque puisque Les zones de la
couche de SiOx insolée se voLatiLisent durant cette in
solation.

La valeur de x, pour un masque d'épaisseur donnée, est choisie en fonction de La Longueur d'onde 'ultraviolette utilisée. En effet, une couche de SiO1,5
d'une épaisseur de 600 nm est correctement volatilisee
par un rayonnement uLtravioLet de 351 nm et mal volati
Lisée avec un rayonnement visible de 488 nm. En particu
Lier, les flancs du masque sont parfaitement verticaux
Lorsque l'on utilise La Longueur d'onde de 350 nm. L'ob
tention de flancs nets joue un roule important pour
l'obtention d'une bonne résoLution
Par ailleurs, pour une valeur de x et une
longueur d'onde déterminées, l'épaisseur de La couche de
SiO qui est volatiLisée, Lors de L'irradiation, dépend
x
en partie de 11 énergie du rayonnement uLtravioLet.

Compte tenu de cela, on utiLisera de préférence comme
source de rayonnement un Laser plutôt qu'une Lampe,
l'énergie fournie par un Laser étant beaucoup pLus éLe-
vée.

Sur la figure 1, on a représenté une courbe
donnant les variations de L'épaisseur ev de la couche de
SiOx volatilisée en fonction de L'énergie uLtraviolette utilisée. Cette courbe a été établie pour une couche de
SiO1,5 soumise à une impuLsion Laser de 20 ns dont la longueur d'onde est de 248 nm.

Il ressort de La courbe de La figure 1 qu'un minimum d'énergie lumineuse est nécessaire pour commen cer à volatiliser La couche de SiOx. Dans Le cas pré-
x sent, l'énergie minimale d'une impulsion à utiliser est de 50 mJ/cm2.

De plus, on constate qu'entre 50 mJ/cm2 et mJ/cm2 575 mJ/cm2, , L'épaisseur de La couche de SiOx volatilisée
x croit en fonction de L'énergie Lumineuse. Une impulsion laser de 575 mJ/cm2 est capable de volatiliser une couche de SiO1,5 de 600 nm. En revanche, au-dessus de 575 mJ/cm2, l'épaisseur de la couche de Si0 volatilisée
x est quasi-indépendante de l'énergie du rayonnement.

De la courbe de la figure 1, on peut déduire que l'épaisseur, en nm, volatilisée ev d'une couche de SiO x donnée, pour une impulsion Laser, suit une Loi exponentielle de La forme :
e v = 20 (e - 1,4) dans laquelle est une constante dépendant de La lon- gueur d'onde utilisée(de façon empirique a=-0,025k +11,8 pour 200 < # < 400 nm)et E la densité d'énergie d'une impulsion lumineuse (J/cm2) à La surface de la couche de
SiOx. Pour une longueur d'onde de 248 nm, α est égal à 5,8 et pour une longueur d'onde de 351 nm, a est égal à 3,23;
Le masque selon L'invention est bien adapté à la fabrication de circuits intégrés ; en particulier, il est suffisamment résistant aux agents d'attaque généra lement utilisés Lors des différentes étapes de gravure.

En utilisant une gravure ionique réactive (RIE) avec comme agent d'attaque HF et un potentieL de 300 V, on constate que la quantité de silicium éliminée est cinq fois plus grande que la quantité de SiO1,5 éliminée. En utilisant de plus faibles énergies (50 eV) et une basse pression, La quantité de silicium éliminée est alors dix fois plus grande que la quantité de-SiO1,5 éliminée.

Cette résistance aux agents de gravure est notamment due à la transformation partielle du SIOUX en Si 02, matériau présentant une bonne inertie à ces agents.

On va maintenant décrire la fabrication d'un transistor MOS utilisant un masque de lithographie selon
L'invention, en référence aux figures 2 à 5. Les différentes étapes de la fabrication sont réalisées sous vide dans une même enceinte étanche.

La première étape de fabrication d'un transistor MOS consiste, comme représenté sur la figure 2, à réaLiser sur un substrat monocristallin semiconducteur 2 par exemple en silicium de type p, une couche 4 d'oxyde de silicium d'environ 50 nm. Cette couche d'oxyde 4, dans laquelle sera réalisé L'oxyde de grille du transistor, peut par exemple être obtenue par oxydation thermique du substrat à une température de l'ordre de 900"C.

On dépose ensuite une couche conductrice 6 par exemple de silicium polycristallin dope dans laquelle sera réalisée La grille du transistor. Cette couche conductrice 6 ayant une épaisseur par exemple de 0,4 pm peut être déposée par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD).

L'étape suivante du procédé consiste à définir
Les dimensions de la grille du transistor à l'aide d'un masque de lithographie selon l'invention. Ce masque est obtenu en déposant une couche 8 de SiOx, notamment par évaporation d'une poudre de monoxyde de silicium de 99,999X de pureté,sousun vide de l'ordre de î## Pa (10-6 torr).

Cette couche 8 est par exemple une couche de SiO1,5 pre- sentant une épaisseur de 600 nm.

La couche 8 de SiOx est ensuite irradiée, à travers un masque d'irradiation 10, représentant l'image en positif de la grille du transistor à réaliser et donc l'image en positif du masque de lithographie à réaliser, par un rayonnement ultraviolet 12 présentant une longueur d'onde de 248 nm. Le masque d'irradiation 10 peut être un masque de chromo réalisé de façon classique avec un masqueur électronique ou bien une image optique projetée sur la couche de Sidi15 avec un appareil du type photorepeteur. Cette deuxième solution présente l'avan- tage d'éviter tout contact de nature chimique avec la couche de SIOUX et donc d'éviter toute contamination de cette couche.

Le rayonnement ultraviolet 12 est produit par un Laser de fluorure de xénon fournissant en une seule impulsion une énergie de 575 mJ/cm2. Cette irradiation permet, comme représenté sur la figure 3, de vaporiser totalement les régions de la couche 8 de SiOx soumises è cette irradiation ; la région centrale 8a non soumise à cette irradiation qui reste à la surface de la couche de silicium polycristallin 6 constitue le masque de lithographie à l'aide duquel on va réaliser la grille du transistor.

La fabrication du transistor se poursuit, alors, en gravant, comme représenté sur La figure 4, la couche de silicium polycristallin 6 puis la couche d'oxyde de silicium 4. Ces gravures permettent d'éliminer les régions des couches 6 et 4 non masquées par ce qui reste de la couche de SiO et former ainsi la grille
x 6a et L'oxyde de grille 4a du transistor.

Les gravures successives des couches 6 et 4 peuvent être réalisées par un procédé de gravure ionique réactive (RIE) utilisant comme agent d'attaque de l'hexafluorure de soufre pour une couche 6 de silicium polycristallin et une couche 4 d'oxyde de silicium.

On réalise ensuite La source 14 et te drain 16 du transistor MOS par exemple en implantant des ions d'arsenic ou de phosphore dans Le substrat 2 en silicium pour former deux régions de type n, le restant 8a de la couche de SiOx servant de masque à cette implantation
L'étape suivante du procédé consiste à élimi- ner le masque 8a de Lithographie. Ceci est réalisé en irradiant le restant de la couche de SiOx avec un rayonnement ultraviolet présentant notamment une longueur d'onde de 248 nm.

La réalisation du transistor MOS se poursuit de façon classique par dépôt d'une couche isolante puis gravure de celle-ci pour définir Les trous de contact électrique notamment de la source, du drain et de la grille, puis par dépôt d'une couche conductrice en alu- minium gravée pour former les Lignes d'interconnexion du transistor.

Comme pour La grille 6a du transistor, La dé- finition des trous de contact et la gravure correspon dante de ta couche isolante ainsi que La définition des lignes d'interconnexion et la gravure de la couche con- ductrice correspondante peuvent Ose réalisées à l'aide d'un masque de SiO conforme à l ' invention.

x
Ld fabrication d'un masque de SiOx selon l9?n- vent ion ainsi que son élimination ont ét décrites au cours de la fabrication d'un transistor MQS, riais bien entendu ceci n'est qu'un exemple particulier d'utilisant tion du masque conforme à l'invention. Ce dernier peut être utilisé à chaque fois que ea désire transférer un motif particulier dans un substrat quelconque Le masque de L'invention peut notamment être utilisé en optique intégrée pour former des motifs dans un guide de Lumiere et définir ainsi des composants optiques.

Claims

REVENDICATIONS

1. Masque de lithographie (8a) formé d'une couche (8) d'un matériau comportant des motifs, caractérisé en ce que la couche (8) est en SiOx, x étant un nombre tel que O < x < 42.

2. Masque de lithographie selon la revendication 1, caractérisé en ce que x est tel que 1 jx (1,9.

3. Masque de lithographie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que x vaut 1,5.

4. Procédé de fabrication d'un masque de li- thographie, formé d'une couche de matériau comportant des motifs, caractérisé en ce qu'il comporte uniquement les étapes suivantes - recouvrir la surface d'un substrat (6) dune couche (8) de SiOx, x étant un nombre tel que O < x < 2, sensi-

bLe à un rayonnement (12), et - irradier Localement cette couche (8) de SiOx avec Le

dit rayonnement (12) pour former Ledit masque < 8a).

5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, caractérisé en ce que x est tel que 1 < x < 1,9.

6. Procédé de fabrication selon La revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que te rayonnement (12) est un rayonnement ultraviolet dont la longueur d'onde est inférieure à 350 nm.

7. Procédé de fabrication selon L'une queLconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que L'on irradie la couche (8) de SiO x å travers un masque d'irradiation (10) représentant l'image en positif du masque (8a) de lithographie à réaliser.

8. Procédé de fabrication d'un circuit intégré comportant une étape de traitement d'un substrat (6) à travers un masque de Lithographie (8a) selon L'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation à la surface du substrat (6) du masque

(8a) de lithographie, - traitement du substrat (6), à travers le masque

(8a), et - éLimination du masque (8a) en irradiant totalement

celui-ci.

9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que L'on élimine le masque (8a) avec un rayonnement ultraviolet (12).

10. Procédé de fabrication selon L'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'on effectue les différentes étapes dans une même enceinte à vide.