FR2979750A1

FR2979750A1 - Procede de realisation d'une tranchee d'isolation

Info

Publication number: FR2979750A1
Application number: FR1157911A
Authority: FR
Inventors: Laurent Favennec; Cedric Perrot
Original assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Current assignee: STMicroelectronics Crolles 2 SAS
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-03-08
Also published as: US20130056845A1

Abstract

Procédé de réalisation d'au moins une tranchée d'isolation dans un substrat (1) ayant une surface supérieure (10). Le procédé comprend au moins : - la formation, dans l'épaisseur (E) du substrat (1), d'une première cavité (2) ouverte vers la surface supérieure (10) ; - le remplissage total de cette première cavité (2) avec un matériau diélectrique d'un premier type (3) ; - la formation d'une deuxième cavité (4) dans une portion haute (20) de la première cavité (2) ainsi remplie, ladite deuxième cavité (4) étant ouverte vers la face supérieure (10) et présentant un profil sensiblement concave ; - le remplissage total de cette deuxième cavité (4) avec un matériau diélectrique d'un deuxième type (5) ; et - l'aplanissement de la surface libre (6) de la tranchée sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure (10).

Description

-1- PROCEDE DE REALISATION D'UNE TRANCHEE D'ISOLATION Domaine technique L'invention se rapporte au domaine de la micro-électronique. Elle concerne plus précisément un perfectionnement lié aux tranchées d'isolation, telles que celles communément désignées par l'homme du métier par l'acronyme anglo-saxon STI (pour Shallow Trench Isolation). Arrière plan de l'invention De façon générale, il est courant de prévoir des zones actives dans un substrat en vue de la réalisation de composants ou de circuits électriques. En outre, pour isoler 15 électriquement une zone active d'une autre zone active voisine, il est également usuel de réaliser dans ce substrat des zones d'isolation de type tranchées d'isolation. Ces tranchées sont généralement des cavités gravées dans le substrat et remplies d'un matériau diélectrique, tel qu'un matériau composé d'oxyde, par exemple du dioxyde 20 de silicium. Un polissage permet ensuite d'éliminer l'excès de matériau diélectrique et d'aplanir la surface de la structure. De façon pratique, le remplissage de la tranchée est généralement réalisé par un dépôt conforme, c'est-à-dire dont l'épaisseur est sensiblement constante quelque soit 25 l'orientation locale de la surface sur laquelle a lieu le dépôt. Un tel dépôt conforme permet d'obtenir une épaisseur relativement constante de matériau diélectrique le long des parois de la tranchée et tend, au cours du dépôt, à refermer celle-ci en la comblant totalement. Cependant, un tel dépôt est susceptible d'induire la formation d'interstices ou de vides (communément désignés par le terme anglais « voids » par l'homme du métier) 30 dans la tranchée en cours du remplissage. Pour éviter la formation des ces interstices, la cavité présente des parois latérales (ou flancs), qui ne sont pas abruptes (ou verticales), mais en légère pente. En d'autres termes, la paroi s'étend de l'ouverture vers le fond de sorte que l'ouverture est plus large par rapport au fond. En effet, avec les techniques de dépôt conforme utilisées pour remplir cette cavité, il s'avère que plus la paroi est abrupte, 35 plus la probabilité de formation d'interstices dans la tranchée est forte. 10 -2- Or, pour augmenter la densité de zones actives dans le substrat, une solution consiste à réduire la largeur des tranchées d'isolation. Cette réduction de la largeur des tranchées induit des parois latérales avec des pentes de forte inclinaison (c'est-à-dire se rapprochant de la verticalité), pour assurer une isolation électrique optimale, notamment vers le fond de la tranchée. Différentes techniques de remplissage de ces tranchées fines sont développées. Ces techniques réduisent la probabilité de formation des interstices (ou voids) en profondeur de la tranchée au détriment de la probabilité de formation des interstices en surface de la tranchée. De ce fait, avec ces techniques de remplissage de tranchées fines, les interstices ont plus tendance à se former en surface de la tranchée qu'en profondeur. En pratique, il est possible de détecter les interstices proches de la surface (« shallow voids » en anglais) avec les méthodes et équipements d'inspection automatique de plaquettes de circuits intégrés couramment utilisée en microélectronique, et donc de mesurer la densité surfacique (défauts / cm2) d'interstices proches de la surface. Or, la présence d'interstices en surface de la tranchée peut présenter certains inconvénients. Dans le cas par exemple de la réalisation d'un transistor dans un substrat à base de silicium, la réalisation des grilles (ou « gate » en anglais) passe notamment par une étape de dépôt d'une couche de poly-silicium sur la couche de silicium contenant ces tranchées d'isolation, puis par une étape de gravure de cette couche de poly-silicium pour former les motifs souhaités. En particulier, lors de l'étape de dépôt, du poly-silicium se retrouve dans certaines des interstices présents en surface de la tranchée. La présence de poly-silicium dans la tranchée génère notamment des courts-circuits et induit une perte de rendement. Exposé de l'invention Dans ce contexte, la présente invention a notamment pour but de proposer un procédé de réalisation de tranchée d'isolation, par exemple des tranchée d'isolation de type STI, dans laquelle la probabilité de formation d'interstices (ou voids) dans la tranchée est réduite, et notamment dans une portion haute de la tranchée. -3- A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'au moins une tranchée d'isolation dans un substrat ayant une surface supérieure, comprenant au moins : - la formation, dans l'épaisseur du substrat, d'une première cavité ouverte vers la surface supérieure ; - le remplissage total de cette première cavité avec un matériau diélectrique d'un premier type ; - la formation d'une deuxième cavité dans une portion haute de la première cavité ainsi remplie, ladite deuxième cavité étant ouverte vers la face supérieure et présentant un profil sensiblement concave ; - le remplissage total de cette deuxième cavité avec un matériau diélectrique d'un deuxième type ; et - l'aplanissement de la surface libre de la tranchée sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure.

Selon un mode de réalisation, les parois latérales de la portion haute de la première cavité peuvent être sensiblement verticales, et les parois latérales d'une portion basse de la première cavité peuvent présenter une inclinaison par rapport aux parois latérales de la portion haute, l'ouverture de la première cavité étant plus large que le fond de la première cavité.

En pratique, - la première cavité peut être formée par gravure du substrat ; - le remplissage de la première cavité peut être réalisé par un dépôt de type dépôt chimique en phase vapeur ; - la formation de la deuxième cavité peut réalisée par un polissage mécano- chimique ; - le remplissage de la deuxième cavité peut être réalisé par un dépôt de type dépôt chimique en phase vapeur ; - l'aplanissement de la surface libre de la tranchée peut être réalisé par un polissage mécano-chimique ; - le substrat peut être formé d'un empilement de couches comprenant au moins une couche isolante interposée entre une couche d'arrêt et une couche active ; - la portion haute peut être délimitée par la couche d'arrêt et la couche isolante, et la portion basse peut être délimitée par la couche active ; et - le fond de la deuxième cavité peut être au-dessus de la couche active. -4- Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles les figures 1 à 5 sont des vues en coupes schématiques illustrant les étapes du procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation dans un substrat selon un mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée Le procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation dans un substrat consiste notamment à venir creuser dans une portion haute d'une première cavité remplie entièrement d'un matériau diélectrique, de manière à éliminer les éventuels interstices (ou voids) présents dans cette portion haute. Cette deuxième cavité ainsi formée présente de préférence une géométrie adaptée pour limiter, voire éliminer, l'apparition d'interstices lors du dépôt d'un autre matériau diélectrique dans cette deuxième cavité. Les figures 1 à 5 illustrent les étapes du procédé de réalisation d'une telle tranchée d'isolation dans un substrat 1 ayant une surface supérieure 10. Ce procédé comprend tout d'abord : - la formation (figure 1), dans l'épaisseur E du substrat 1, d'une première cavité 2 ouverte vers la surface supérieure 10 ; et - le remplissage (figure 2) total de cette première cavité 2 avec un matériau diélectrique d'un premier type 3. De préférence, la première cavité 2 présente une géométrie adaptée pour un dépôt conforme du matériau diélectrique du premier type 3 sans formation d'interstice dans une portion basse 21 de cette première cavité 2 et avec formation d'interstices dans une portion haute 20 de cette première cavité 2. En pratique, la géométrie de la première cavité 2 est choisie de sorte que la probabilité de formation (ou d'apparition) d'interstices dans la portion haute 20 est supérieure à la probabilité de formation (ou d'apparition) d'interstices susceptibles de se former dans la portion basse 21. Avantageusement donc, la portion basse 21 est exempte d'interstices. -5- En d'autres termes, on limite la formation d'interstices (ou voids) dans la portion basse 21 de la première cavité, par rapport à la formation d'interstices dans la portion haute 20 de la première cavité lors du remplissage de cette première cavité avec le matériau diélectrique du premier type. Par exemple, comme illustré sur la figure 1, les parois latérales 22 de la portion haute 20 sont sensiblement verticales (ou abruptes), et les parois latérales 23 de la portion basse 21 présente une inclinaison telle que l'ouverture O de la première cavité 2 est plus large que son fond F. En effet, plus la pente de la paroi de la tranchée est forte, plus la probabilité d'apparition des interstices est grande. De préférence, les parois latérales 22 de la portion haute 20 sont sensiblement perpendiculaires à la surface supérieure 10. En d'autres termes, dans cet exemple, la portion haute 20 présente un profil sensiblement rectangulaire et la portion basse 21 présente un profil sensiblement en trapèze.

Le procédé de réalisation d'une tranchée d'isolation comprend ensuite : - la formation (figure 3) d'une deuxième cavité 4 dans la première cavité 2 ainsi remplie, cette deuxième cavité 4 étant également ouverte vers la face supérieure 10 ; et - le remplissage (figure 4) total de cette deuxième cavité 4 avec un matériau diélectrique du deuxième type 5. En d'autres termes, on creuse la deuxième cavité 4 dans le volume du premier matériau diélectrique 3 contenu dans la première cavité 2. Cette deuxième cavité 4 est creusée jusqu'à une profondeur permettant d'éliminer la plupart des interstices (schématisés par l'élément référencé 7 sur la figure 2) qui se sont formées dans la portion haute 20 de la première cavité 2 remplie. Cette deuxième cavité 4 présente de préférence une géométrie adaptée pour un dépôt du matériau diélectrique du deuxième type 5 sans formation d'interstices. En pratique, la géométrie de la deuxième cavité 4 est choisie de sorte que la probabilité de formation d'interstices susceptibles de se former dans cette deuxième cavité 4 lors du remplissage est inférieure ou égale à la probabilité de formation d'interstices présents dans la portion basse 21. -6- Avantageusement, la deuxième cavité 4 présente des flancs très peu inclinées par rapport à la surface supérieure 10, et un ratio ouverture/profondeur très favorable à un dépôt avec très faible formation d'interstices. Par exemple, comme illustré sur la figure 3, cette deuxième cavité 4 présente de préférence un profil sensiblement concave. De par cette géométrie, les parois de cette deuxième cavité 4 présente une inclinaison favorable pour limiter la formation d'interstices lors du remplissage. Après le remplissage de cette deuxième cavité 4, la surface libre 6 de la tranchée ainsi formée est aplanie (figure 5) sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure 10. La tranchée d'isolation ainsi réalisée comprend donc deux matériaux diélectriques déposés dans une cavité. Les matériaux diélectriques du premier type 3 et du deuxième type 5 peuvent être identiques ou différents.

Par exemple, la conductivité ou la mobilité des porteurs d'un matériau peut être modifiée en fonction de la contrainte (ou stress) mécanique apportée au matériau. Il est donc possible de prévoir un matériau diélectrique du deuxième type qui ne présente pas les mêmes propriétés chimiques que le matériau du premier type, de sorte que les modifications thermiques subies par la structure au cours de la réalisation d'un composant, par exemple un recuit, induit des contraintes mécaniques différentes entre la portion haute et la portion basse de la tranchée. Ces matériaux diélectriques du premier type 3 et deuxième type 5 peuvent être à 25 base d'oxyde, par exemple en dioxyde de silicium, ou encore d'oxycarbure ou oxyniture de silicium (SiOC, SiON). La première cavité 2 réalisée dans le substrat 1 présente de préférence une profondeur maximale P1 inférieure ou égale 400nm, notamment de l'ordre de 200nm à 30 600nm, par exemple 300nm. La deuxième cavité 4 creusée dans la portion haute 20 présente de préférence une profondeur maximale P2 inférieure ou égale à 80nm, notamment de l'ordre de 20nm à 100nm, par exemple 50nm. 35 -7- Ces profondeurs P1 et P2 sont notamment définies par rapport à un plan de référence formée par la surface supérieure 10. Le ratio entre la profondeur maximale P1 de la première cavité 2 et la plus grande largeur du fond F de la première cavité 2 est de préférence inférieur ou égal à 4, notamment de l'ordre de 3 à 5, par exemple 4. Le ratio entre la plus grande largeur de l'ouverture O de la première cavité 2 et la plus grande largeur du fond F de la première cavité est de préférence inférieur ou égal à 1.5, notamment de l'ordre de 1 à 2, par exemple 1.5. Le ratio entre la plus grande largeur de l'ouverture de la deuxième cavité 4 et la profondeur maximale P2 de cette deuxième cavité est de préférence supérieur ou égal à 1, notamment de l'ordre de 0.5 à 2, par exemple 1.

Dans un mode de réalisation, les différentes étapes du procédé peuvent être mise en oeuvre avec les techniques suivantes. La première cavité 2 peut notamment être formée par gravure du substrat 1. La 20 technique de gravure mise en oeuvre peut être par exemple à l'aide d'une gravure par plasma (type RIE « Reactive Ion Etching ») utilisant des précurseurs halogénés contenant au moins un des atomes suivants Cl, Br et/ou F. Les remplissages des première et deuxième cavités 2, 4 peuvent être réalisés par un 25 dépôt de type dépôt chimique en phase vapeur (ou CVD pour « chemical vapor deposotion » en anglais). Par exemple dépôt chimique en phase vapeur sous pression réduire (ou LPCVD pour « low-pressure chemical vapor deposition » en anglais), ou dépôt chimique en phase vapeur sous pression sub-atmosphérique (ou SACVD pour subatmospheric pressure thermal chemical vapor deposition » en anglais), ou tout autre 30 technique de dépôt adapté pour le remplissage de cette première cavité 2 avec le matériau diélectrique du premier type 3. Avantageusement, ce remplissage peut être réalisé par la mise en oeuvre d'un procédé SACVD haute température (température entre 480°C et 550°C) communément 35 utilisé en microélectronique pour le remplissage des tranchées de type STI. Il peut en -8- particulier s'agir-d'un procédé communément désigné par l'homme du métier par le terme HARP (pour « High Aspect Ratio Process » en anglais). Cette technique qui permet d'obtenir un dépôt de grande conformité.

La formation de la deuxième cavité 4 peut notamment être réalisée par un polissage mécano-chimique (ou CMP pour « chemical mechanical polishing » en anglais). Ce type de polissage permet notamment d'aplanir et de lisser des reliefs en combinant une gravure chimique et un polissage mécanique. Les caractéristiques structurelles de la deuxième cavité décrite ci-dessus peuvent notamment être obtenues en ajustant des paramètres de polissage tels que vitesse de rotation, force appliquée, matière et forme du pad de polissage. A titre d'exemple, la vitesse de rotation peut être comprise entre 40 et 80 tours par minute, la pression appliquée peut être comprise entre 2 et 5 Psi , la dureté du pad de polissage peut être choisie entre 15 et 20MPa ; et la sélectivité de polissage entre oxyde et nitrure peut être choisie entre 10 et 100.

Enfin, l'aplanissement de la surface de la tranchée peut également être réalisé par le procédé de polissage décrit ci-dessus. Cette étape de polissage permet notamment d'aplanir et de lisser la surface libre de la tranchée en éliminant les résidus de matériaux diélectriques en excédent. Les paramètres de polissage sont bien entendu ajustés pour réduire les variations de hauteur entre la surface libre 6 de la tranchée et la surface supérieure 10 du substrat. Lorsque l'on met en oeuvre le procédé de polissage ci-dessus, il est préférable de bien délimiter la zone à polir afin de ne pas détériorer les zones situées autour de la tranchée. Par exemple, il est possible de prévoir une couche d'arrêt dans le substrat, cette couche d'arrêt ayant notamment pour fonction de protéger les zones situées autour de la tranchée lors du polissage. Dans un mode de réalisation avantageux, le substrat 1 présenté ci-dessus peut donc 30 être formé d'un empilement de couches comprenant une couche isolante 13 interposée entre une couche d'arrêt 12 et une couche active 14 (figure 1). La surface libre de la couche d'arrêt 12 constitue la surface supérieure 10 du substrat 1. La couche d'arrêt 12 est de préférence à base de nitrure, par exemple en nitrure de 35 silicium, et peut présenter une épaisseur inférieure ou égale à 80nm, notamment de l'ordre -9- de 40nm à 120nm, par exemple 70nm. Cette couche d'arrêt peut également être à base d'un matériau qui résiste au procédé de polissage mis en oeuvre. La couche isolante 13 est de préférence à base d'oxyde, par exemple en dioxyde de silicium, et peut présenter une épaisseur inférieure ou égale à 8nm, notamment de l'ordre de 3nm à 11nm, par exemple 50nm. Dans ce mode de réalisation, la première cavité 2 traverse entièrement la couche d'arrêt 12 et la couche isolante 13 et traverse partiellement la couche active 14. La portion haute 20 de la première cavité 2 est adjacente à la couche d'arrêt 12 et à la couche isolante 13, et la portion basse 21 de la première cavité 2 est adjacente à la couche active 14. L'épaisseur de la portion haute 20 est par exemple sensiblement égale la somme des épaisseurs de la couche d'arrêt 12 et de la couche d'isolant 13. De préférence, la deuxième cavité 4 est creusée à travers la couche d'arrêt 12 et la couche isolante 13, la gravure s'arrêtant sensiblement au niveau de la couche active 14. Le procédé de réalisation d'une tranchée de type STI ainsi proposée, comprend notamment une première phase au cours de laquelle on privilégie une faible probabilité de formation d'interstices dans la portion basse de la première cavité au détriment d'une forte probabilité de formation d'interstices dans la portion haute de cette première cavité. Durant une deuxième phase, on creuse une deuxième cavité dans la portion haute de manière à éliminer les interstices qui s'y sont formés. La géométrie de cette deuxième cavité est adaptée pour limiter la formation d'interstices lors de son remplissage. Au final, la probabilité de formation d'interstices en profondeur et la probabilité de formation d'interstices en surface de la tranchée sont réduites.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'au moins une tranchée d'isolation dans un substrat (1) ayant une surface supérieure (10), comprenant au moins : - la formation, dans l'épaisseur (E) du substrat (1), d'une première cavité (2) ouverte vers la surface supérieure (10) ; - le remplissage total de cette première cavité (2) avec un matériau diélectrique d'un premier type (3) ; - la formation d'une deuxième cavité (4) dans une portion haute (20) de la première cavité (2) ainsi remplie, ladite deuxième cavité (4) étant ouverte vers la face supérieure (10) et présentant un profil sensiblement concave ; - le remplissage total de cette deuxième cavité (4) avec un matériau diélectrique d'un deuxième type (5) ; et - l'aplanissement de la surface libre (6) de la tranchée sensiblement jusqu'au niveau de la surface supérieure (10).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les parois latérales (22) de la portion haute (20) de la première cavité (2) sont sensiblement verticales, et les parois latérales (23) d'une portion basse (21) de la première cavité (2) présentent une inclinaison par rapport aux parois latérales (22) de la portion haute (20), l'ouverture (0) de la première cavité (2) étant plus large que le fond (F) de la première cavité (2).
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la première cavité (2) est formée par gravure du substrat (1).
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le remplissage de la première cavité (2) est réalisé par un dépôt de type dépôt chimique en phase vapeur.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la formation de la deuxième cavité (2) est réalisée par un polissage mécano-chimique.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le remplissage de la deuxième cavité (2) est réalisé par un dépôt de type dépôt chimique en phase vapeur.-11-
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel l'aplanissement de la surface libre (6) de la tranchée est réalisé par un polissage mécano-chimique.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le substrat (1) est formé d'un empilement de couches comprenant au moins une couche isolante (13) interposée entre une couche d'arrêt (12) et une couche active (14).
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la portion haute (20) est délimitée par la couche d'arrêt (12) et la couche isolante (13), et la portion basse (21) est délimitée par la couche active (14).
10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel le fond de la deuxième cavité (2) est au-dessus de la couche active (14).