WO2001053891A1 - Procede de lithographie ionique, revetement a fort contraste, equipement et reticule de mise en oeuvre - Google Patents

Procede de lithographie ionique, revetement a fort contraste, equipement et reticule de mise en oeuvre Download PDF

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WO2001053891A1
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ions
ion
reticle
coating
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PCT/FR2000/003392
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Jean-Pierre Lazzari
Vincent Le Roux
Gilles Borsoni
Gianni Giardino
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X-Ion
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Publication date
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
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    • G03F7/20—Exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/2037—Exposure with X-ray radiation or corpuscular radiation, through a mask with a pattern opaque to that radiation
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    • H01J37/317—Electron-beam or ion-beam tubes for localised treatment of objects for changing properties of the objects or for applying thin layers thereon, e.g. for ion implantation
    • H01J37/3174—Particle-beam lithography, e.g. electron beam lithography
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    • H01J2237/30—Electron or ion beam tubes for processing objects
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    • H01J2237/3175—Lithography
    • H01J2237/31752—Lithography using particular beams or near-field effects, e.g. STM-like techniques
    • H01J2237/31755—Lithography using particular beams or near-field effects, e.g. STM-like techniques using ion beams

Definitions

  • the invention relates to a method of ion lithography of a wafer of semiconductor material, as well as a high-contrast coating for the wafer of semiconductor to be etched, an equipment and a reticle which are particularly suitable for placing it. artwork.
  • the invention applies to the field of microelectronics in particular on silicon wafer, and more particularly to the manufacture of integrated circuits, memories with very high integration density and other components, in particular applied to microsystems or micro- machining.
  • a lithography is followed successively, followed by etching of the underlying layer, which may be an interconnection layer, a masking or ion implantation layer for doping.
  • Light radiation lithography or photolithography is the best known. It consists in coating the underlying layer with a silicon wafer with a photosensitive resin, then in selectively exposing the photoresist using ultraviolet radiation through a mask whose patterns represent those of the integrated circuit. An image is thus deposited and developed in the resin.
  • the underlying layer of the silicon wafer can be a conductive layer, for example of aluminum or tungsten, a dielectric layer, such as Si0 2 , Si 3 N 4 , Ta 2 ⁇ 5, Ti0 2 , WO3, AI2O3, NiO, etc., or a semiconductor layer.
  • micropatterns and microlithographic processes are becoming more and more difficult to implement because the patterns to be produced have increasingly smaller dimensions, for example significantly less than one micron: this is called micropatterns and microlithographic processes.
  • circuits more and more complex, require at the present time the superposition of more than ten levels of masking, or even more, with precisions being able to go up to the hundred angstr ⁇ ms and even beyond.
  • insolation radiation for the lithography of the shortest possible wavelength, associated with the highest possible energy.
  • EUV Extremet Ultra Violet
  • Nd: YAG laser an Nd: YAG laser
  • Ion projection lithography has the advantage of using powerful sources combined with efficient beam concentrating devices. According to this technique, the ion beam (hydrogen or helium) coming from a source with multiple electrodes is homogenized, - shaping and parallelism of the beam, charge and uniform speed of the selected ions -, then projected onto the resin after having crossed the reticle.
  • the present invention relates to the field of ion lithography.
  • Non-optical lithographic techniques combine the use of a reticle, serving as a mask, a reducer to form a concentrated beam of sunshine, and of a particle-sensitive resin on which this flux is projected. After revealing and eliminating the exposed areas, the resin serves as protection for the etching of the underlying layer.
  • Each type of lithography, optical or non-optical uses a resin suitable for the radiation or the particles used.
  • the thickness of the resin also tends to decrease.
  • the resin can then be attacked during the etching of the underlying layer.
  • this layer usually has an accentuated relief, while the resin deposited by centrifugation tends to planarize. Under these conditions, the resin has an uneven thickness, which does not allow good optimization of the exposure conditions.
  • the etching plasma causes the underlying layer to flow by heating it, which modifies the dimensions of the patterns.
  • the invention aims to achieve an ion lithography with high resolution and high reliability, and which does not have the aforementioned drawbacks, in particular those linked to the use of a resin.
  • the invention combines the use of a beam of multicharged ions, optimized to obtain the desired resolution, and of a coating deposited on the underlying layer to be etched, capable of being selectively eliminated by mechanisms. specific interaction.
  • the subject of the invention is an ion lithography process for a substrate, in particular a semiconductor wafer, covered with an underlying layer in which micropatterns are to be produced, of the type comprising an ion source and a reticle for shaping the ion beam, the intensity profile of which is cut to correspond to the micropatterns to be produced in the underlying layer, after passage through an ionic reduction optic.
  • the ions are produced and treated under vacuum.
  • the ions are decelerated, after having been selected in charge, speed, direction, density and after cutting the beam on the reticle according to the desired intensity profile, the ions interact with a multilayer coating deposited on the underlying layer .
  • the ion beam then cuts out the micromotives in the first dielectric layer of this coating, to serve as a mask for at least one reactive ion etching of the RIE type (initials of Reactive lonic Etching in English terminology) intended to form these same micromotives in the underlying layer.
  • RIE reactive ion etching
  • the ion beam is cut out on the reticle by reflection.
  • the ion beam slowed down to almost zero speed, is selectively reflected by remote interaction with patterns in semiconductor material of the reticle in accordance with the micropatterns to be produced, then concentrated through the ion optics of reduction and speed control to etch the coating of the underlying layer.
  • the beam can thus be re-accelerated to reach sufficient energy to etch, for example, an ion-sensitive resin according to a conventional etching of the IPL type.
  • the beam is shaped by transmission through a mask.
  • the ion beam then passes through a stencil-type reticle before being concentrated through the ion reduction optics and decelerated to etch the first layer of the coating.
  • the method of the invention makes it possible to avoid the implementation of the steps related to the deposition and the revelation of the resin, in particular the steps of controlling its thickness and limiting the creep. Indeed, the layers of the coating being deposited under vacuum, their thickness control is good controlled and the problems related to the underlying topography are eliminated. It should be emphasized in particular that the sensitivity and the contrast of the coating are significantly higher than those of known resins.
  • the invention also relates to a high-contrast coating.
  • This coating is multilayer and comprises at least one "bi-layer" formed by a dielectric layer and a sublayer of conductive material.
  • the high-contrast coating is preferably made up of a bi-layer whose relative thicknesses respect the etching selectivity of the conductive material with respect to to the dielectric.
  • the coating consists either of a bi-layer formed of a layer of dielectric material and of the underlying layer, or of the bi-layer previous (formed by a layer of dielectric material deposited on a sublayer of conductive material).
  • the relative thicknesses of the successive layers respect the etching selectivity of the materials of these layers and are calculated from the thickness of the final underlying layer used.
  • this layer is thin, for example less than a micron for aluminum, the simple two-layer is advantageously used to use layers of reasonable thickness.
  • the invention also relates to ion lithography equipment, placed in a vacuum enclosure for implementing the method.
  • Such equipment includes a source for producing a beam of ECR type ions (initials of “Electron Cyclotron Resonance”, in Anglo-Saxon denomination) coupled with means of selection in charge, density, speed and direction ions, as well as cutting means through a reticle according to a profile corresponding to the micropatterns to be engraved and to means for adjusting the speed of the ions arranged after concentration by optical means for reducing the selected and cut beam.
  • ECR type ions initials of “Electron Cyclotron Resonance”, in Anglo-Saxon denomination
  • - The substrate is mounted on mobile means in two orthogonal directions;
  • the reticle is reflective and has at least one layer of semiconductor material capable of reflecting the ions in accordance with the micropatterns to be produced, and in which means for decelerating the ions are arranged when approaching the reticle;
  • the reticle has at least two layers, one of these layers being cut according to the micropatterns to be produced, either a layer of conductive material, for example aluminum, tungsten, titanium or gold, and a layer of semiconductor material, either two layers of conductive material brought to two different electrical potentials;
  • a layer of conductive material for example aluminum, tungsten, titanium or gold
  • a layer of semiconductor material either two layers of conductive material brought to two different electrical potentials
  • the reticle has a surface layer of substantially planar conductive material, cut according to the micropatterns to be produced by etching the micropatterns or their contours, either to embed an ion-reflecting semiconductor material therein, or to define portions of the carried layer to two different electrical potentials;
  • the reticle is of the transmission type and is produced in the form of a mechanical stencil with windows, the ions possibly being adjusted in speed only when approaching the coating of the semiconductor wafer to be etched;
  • the ECR source produces ions whose kinetic energy is between 5 and 20 keV / q by application of an extraction voltage of ten kilovolts;
  • the ions generated are ions of rare gases of uniform charge, taken from the gases Argon, Nitrogen, Neon, Krypton and Xenon, the ions being selected in kind and in direction by magnetic sorting according to their charge / mass ratio, by example by mass spectrometer;
  • the ions produced are Argon ions of uniform charge lying, in the broad sense, between +8 to +18; the density of the ions when approaching the coating is between 10 8 and 10 16 ions / cm 2 .s, preferably between 10 12 and 10 15 ions / cm 2 .s; the direction and the density of the ions are controlled by means for adjusting the ion source and for adjusting the dimensions of the beam by the application of an electric and / or magnetic field;
  • a fine selection of the ions in direction, speed and parallelism is carried out respectively by a scanner, by filtering means of band pass or high pass type with electric field, which select the ions in speed according to their energy kinetics, and by means of collimation, which selects the ions in the direction by elimination of the ions whose lateral velocity is greater than a certain threshold;
  • the collimation means preferably consist of a series of diaphragms with a millimeter diameter and a few tens of centimeters apart;
  • means of controlling the etching uniformity comprise a photon detector which measures the number, the energy and the emission position of the photons produced during the interaction of the ions with the surface of the substrate to be etched.
  • the deceleration of the ions is obtained by the application of an electric field controlled by a deceleration voltage of ten volts;
  • the reflection reticle is arranged in an inclined plane relative to the general direction of the incident beam and electromagnetic means are provided to form lines of magnetic field parallel to the surface of the reticle; the intensity of the current is adjusted so that the magnetic field deflects the ion beam perpendicularly from the surface of the reticle.
  • a particular aspect of the invention therefore relates to the reflection reticle, particularly but not exclusively adapted to such equipment.
  • the reflection reticle is formed of a solid substrate, for example of molten quartz or formed of a silicon wafer or equivalent, covered with at least two layers of conductive and semiconductor material, the first layer covering the entire surface. of the substrate and the other layer (s) being cut either to form micropatterns or to reveal underlying zones shaped according to these micropatterns.
  • the areas corresponding to the micropatterns are in semiconductor material which backscatter the ions by the so-called trampoline effect, the other layers are in conductive material which neutralizes the ions.
  • the layers are made of conductive material and brought to different electrical potentials, such that the zones corresponding to the micropatterns backscatter the ions, the other layers neutralizing the ions.
  • the reflection reticle is formed of a solid substrate, covered with at least one layer of substantially planar conductive material covering the entire surface of the substrate. This layer is etched to form either the micropatterns to be produced in which a semiconductor material reflecting the ions by the trampoline effect is embedded, or the contours of the micropatterns to be produced to define parts of the layer brought to different potentials.
  • the reflection reticle is produced by deposition and etching of successive layers according to conventional techniques of sputtering, reactive ion etching and / or electronic lithography.
  • the above equipment is coupled to other deposition and etching chambers to form an assembly or “cluster” (mass in English terminology), in order to etch by RIE the layers of the sub- adjacent to the first dielectric layer, the chambers communicating through a vacuum connection airlock.
  • the equipment illustrated in section in FIG. 1 is placed in an enclosure under a high vacuum, of the order of 10 "6 to 10 " 11 mbar, obtained by known pumping means.
  • the equipment comprises an ion beam source 10, of the ECR type.
  • the source produces Argon Ar 14+ ions with low kinetic energy, of a few keV / q (q being the number of charges per ion), generally from 1 to 20 keV / q, 10 keV / q in the implementation example. artwork.
  • the kinetic energy of extraction is regulated by the application of an extraction voltage, which is equal to 10 kV in the present case.
  • the ions produced according to a beam F1 are sorted in charge, according to their mass / charge ratio, by a sorting electromagnet 20.
  • a mass spectrometer performs this type of selection.
  • the parameters for adjusting the source and the dimensions of the ion beam are moreover adjusted by means of application of an electric or magnetic field, in order to provide the desired flow and density of ions.
  • the density of the ions is defined from the flow rate, that is to say by the number of ions per unit of area and time. In the present case, the density at the source is 10 12 ions / cm 2 .s.
  • a parallel and homogeneous ion beam F2 is then shaped using the means 30 which selects the ions in direction, speed and parallelism.
  • a brush is thus formed from the width of the reticle 40, measured perpendicular to the plane of the figure, and of thickness on the order of 0.5 to a few millimeters, 1 mm in the example illustrated.
  • the means 30 are composed of a scanner, a filter and diaphragms.
  • a charge collection scanner monitors the position of the ion beam to adjust its direction.
  • a scanner is formed of a wire, a grid or plates which collects the charges in two main and orthogonal directions, in order to allow a counting of the charges in these two directions. This counting then makes it possible to measure the intensity profiles and to identify the position of the beam.
  • a photon detector making it possible to establish the intensity profile and the position of the beam from the photons emitted by the ions, when they interact either with the substrate or with the wire, the grid or the plates of a scanner. Such a detector makes it possible to control the uniformity of the etching to be carried out.
  • the ions are selected in speed and direction by means consisting of:
  • these means eliminate ions whose lateral component of speed, perpendicular to the general direction of the beam, is greater than a given value, corresponding here to a kinetic energy of 1 eV / q.
  • the reticle 40 generally has a flat surface perpendicular to the plane of the figure, and parallel to the substrate 60 of the underlying layer to be etched.
  • the reticle is of the stencil type, the useful beam passing through transmission windows, the cut of which corresponds in proportion to the micromotives to be engraved, to within a magnification coefficient. A beam F3 is thus selected and cut out.
  • the beam f3 then passes through an ion reduction optic 50, of the electrostatic type, in order to be able to engrave micropatterns, for example of the size of 50 nm.
  • a suitable reduction factor equal to 3, 4 or 5 in this example, is applied by the lens 50.
  • the speed of the ions is reduced when approaching the silicon wafer to be etched.
  • An electric field decreases the kinetic energy of the ions when approaching the surface of the silicon wafer 60 until it reaches an almost zero value.
  • This electric field is produced in the middle of a flat capacitor formed by an electrode 70 and the reticle between which a voltage ⁇ U is applied.
  • This voltage adjusted by a potentiometer, is generally adjusted between 1 and 20 kV, 10 kV in the example.
  • the reduced ion beam F4 then projects onto the surface of the wafer to be etched 60.
  • This surface results from the superposition of a layer of Si0 2 61a deposited on the substrate 63, the layer 61a itself being covered with a multi-layer coating 62.
  • the wafer is mounted on a double carriage 6 to carry out a two-axis scanning in order to cover the entire surface of the wafer.
  • This type of carriage is usually used in photolithography, to allow the dioptric surfaces to be reduced due to the use of a narrower beam.
  • the beam F4 selectively ejects the material of the dielectric material which constitutes the interaction layer of the coating 62, as described below.
  • the dielectric layer thus etched, according to the desired shape of micromotives, will serve as a mask for RIE etching of the rest of the coating 62 in an annex etching chamber.
  • the silicon wafer is transported to this annex chamber through a connecting airlock.
  • a reflection reticle can be used in place of the transmission reticle.
  • Such a reflection reticle is formed of a layer of semiconductor material and a layer of conductive material deposited on a substrate of molten quartz.
  • the layer of semiconductor material produced from an electronic lithography or appearing through the mask of the conductive layer according to the micromotives to be etched, reflects the slowed-down ion beam under the same conditions as those described above.
  • This reflection of the ions near the semiconductor material is a backscatter caused by the so-called "trampoline” effect.
  • the other ions, located near the conductive material are neutralized by electrons coming from this material, then eliminated by pumping.
  • this type of reticle therefore uses decelerated ions before interaction through a first capacitor and then optionally adjusted in speed through a second capacitor after backscattering.
  • a re-acceleration can thus be produced when, as a variant, the reticle is associated with a coating of the ion-sensitive type in order to produce an IPL etching.
  • This capacitor then creates an electric field of acceleration of the ions until reaching a kinetic energy of the order of a few tens of keV / q.
  • This electric field is produced by an acceleration voltage ⁇ U ', of about ten kV in the example, applied to the terminals of the capacitor.
  • the silicon wafer (or more generally the substrate to be treated) is coated with an underlying layer of dielectric type, for example of Si0 2 , of conductive type, for example of aluminum, or of semiconductor type such as polycrystalline silicon .
  • the structure of the multilayer coating is adapted according to the nature of the underlying layer. In all cases, this coating consists at least of a first dielectric layer, at the interaction surface, for example of Si0 2 , and a second underlying conductive layer, for example of aluminum. Other dielectric or conductive layers can be provided to adapt to the nature of the underlying layer.
  • FIGS. 2a to 2c illustrate in schematic sectional view, an example of a multilayer coating intended for the etching of a semiconductor wafer coated with a dielectric layer of Si0 2 .
  • the ions of the slowed-down beam F4 arrive at almost zero speed near the surface layer 621 of the coating 62.
  • This coating covers the wafer of silicon to be etched 60 of substrate 63 with underlying dielectric layer 61a.
  • the coating 62 is formed of the surface layer of Si0 2 621 and of a metallic sublayer of aluminum 622, these two layers forming the base bilayer of the coating 62.
  • the bilayer is deposited under vacuum by all known means, for example by sputtering.
  • the ions of the beam F4 interact with the dielectric material in the following way: when an Ar 14+ ion arrives near an area Za of Si0 2 to be etched, the electrons which form the valence bonds of this zone Za located opposite the ion, are attracted to the ion and the bonds are weakened.
  • the zone Za is then positively charged, which creates between the atoms of this zone repulsion forces greater than the cohesion forces of the material: agglomerates of material 200, positively charged, are thus ejected from the dielectric layer 621.
  • We speak of "Coulomb explosion" These ejections dig this layer in a straight trench in the zone Za until reaching the upper surface of the metal underlayer 622.
  • the intensity of the repulsion forces, and therefore the material extraction capacity which results therefrom, depends on the characteristics of the ion beam, and in particular on its charge density which can vary between 10 8 to 10 16 ions / cm 2 .s, but more particularly between 10 12 and 10 15 .
  • This density is controlled at the substrate level by the dimension of the ion beam adjusted by the unipolar electrostatic lens which focuses this beam.
  • the material ejection process is self-stopping when the trench which widens under the effect of material expulsion reaches the metal layer. Indeed, the charged ions are neutralized by the electrons pumped in this layer, and the expulsion of matter stops for lack of matter to eject.
  • the ejected agglomerates 200 are extracted from the bottom of the trenches and collected by an electrostatic screen, or thanks to an electric field which can be applied to the surface of the trench. substrate.
  • the metal sublayer 622 is then etched by RIE, the dielectric layer 621 cut according to the etching zones Za forming the etching mask RIE.
  • FIG. 2b shows the result of this etching, highlighting the trenches Zb formed by the two successive etchings of the bi-layer 62.
  • the etching zones Zb serve in turn to mask the etching of the underlying layer 61a of the substrate 63.
  • the interconnection layer 61 a is then etched in accordance with the micropatterns corresponding to the beam profile F4 ( Figure 2a).
  • the thicknesses of the layers are calculated so that, taking into account the relative selectivity of the materials used, the underlying layer can have a sufficient thickness, compatible with its function.
  • the thickness of the bi-layer can remain in areas of reasonable value taking into account the selectivity of RIE etching of the metal compared to Si0 2 .
  • a thickness of dielectric layer 621 of 20 nm is sufficient, which makes it possible to carry out etching by Coulomb explosion, for a thickness of underlying aluminum layer of the order of 0.6 ⁇ m. in fact corresponds to a selectivity limited to 30 in this case, in order to have a good margin of safety.
  • Such a thickness of aluminum corresponds to a selectivity of 100 for the underlying layer of 60 ⁇ m thickness.
  • the multilayer coating may for example have the structure illustrated in FIG. 3.
  • Such a coating comprises the bi-layer 62 deposited on a dielectric layer of intermediate Si0 2 64 , itself deposited on the underlying layer 61 b.
  • the etching of a given layer serves as a mask, with all of the surface layers already etched, for the underlying layer.
  • the dielectric layer 64 serves as an etching mask for the metal UNDERLYING layer 61b.
  • the other layers are etched by RIE.
  • the nature of the coating layers, which follow one another from the surface to the silicon substrate 63, is alternated so as to allow the conservation of a sufficient thickness of the underlying layer, taking into account the relative selectivity of the successive etchings.
  • the underlying layer of Si0 2 advantageously has a thickness of 60 ⁇ m (selectivity of 100) and the metallic interconnection layer a thickness of 1.8 mm, if we take into account the selectivity of etching of aluminum compared to Si0 2 (taken equal to 30 to preserve the same safety margin as before).
  • An underlying layer thickness of this order of magnitude is much greater than what is usually necessary for this type of layer in microelectronics. Indeed, in general, the thickness of a layer of aluminum used in interconnection is of the order of 0.5 to 1 ⁇ m. It can therefore be justified, in all cases where the topography of the interconnection layer is not too complex, to simplify the structure of the coating by using the metallic interconnection layer as the conductive sublayer of the bi-layer.
  • Figure 4 illustrates such a simplified coating. If the dielectric layer 621 of the bi-layer has a thickness of 20 nm, the RIE etching of the metal layer 61 b, with the mask obtained by coulomb explosion of the layer of Si0 2 621, acts without risk on a thickness of 0, 6 ⁇ m taking into account a safe selectivity of 30. To obtain a thickness of 1 ⁇ m, it suffices to work with a selectivity of 50, which is easy to obtain by optimizing the RIE etching conditions.
  • a planarizing polyimide layer 700 is deposited using conventional techniques on the silicon wafer 630, grouping to simplify the substrate and its UNDERLYING layer.
  • this planarizing layer may be a photo or ionosensitive resin, used here for its planarizing nature and not for its sensitivity.
  • the bi-layer 62 is then deposited under vacuum, then the ion lithography by Coulomb explosion of the dielectric layer 621 is triggered as before.
  • the lithography is followed by the etching RIE of the metal sublayer 622. This etching precedes the etching of the planarizing layer 700 by RIE under oxygen plasma.
  • the interconnection layer and / or the substrate can be etched according to the usual methods.
  • a machine in the form of a cluster comprising several vacuum chambers connected by an airlock is proposed.
  • One chamber is dedicated to the successive vacuum deposition of the multilayer coating with or without a planarizing layer, another for ion lithography by Coulomb explosion, others still for different RIE engravings produced with different plasmas.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown. It is for example possible to provide programmed and centralized motorization means for driving the support wagon of the silicon wafer. Furthermore, the ion beam can be backscattered over several successive reticles in order to form a beam reproducing a topography of higher complexity.

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Abstract

Le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par un équipement du type comportant une source d'ions, des moyens de mise en forme du faisceau d'ions, des moyens de décélération et un réticule à transmission ou à réflexion, pour découper un profil correspondant aux micromotifs à réaliser dans la couche sous-jacente (61a) du substrat à graver (63), après concentration à travers une optique ionique réductrice. Le faisceau F4 d'ions AR14+ grave les micromotifs dans la première couche diélectrique (621) d'un revêtement multicouche (62) selon des interactions spécifiques. La couche diélectrique (621), découpée selon les zones de gravure (Za), forme un masque de gravure RIE pour une sous-couche (622) du revêtement (62) en matériau conducteur ou semi-conducteur. Des tranchées (Zb) sont formées par les deux gravures successives et servent à leur tour de masque à la gravure de la couche sous-jacente (61a) du substrat (63).

Description

PROCEDE DE LITHOGRAPHIE IONIQUE, REVETEMENT A FORT
CONTRASTE, EQUIPEMENT
ET RETICULE DE MISE EN ŒUVRE
L'invention concerne un procédé de lithographie par voie ionique d'une tranche de matériau semi-conducteur, ainsi qu'un revêtement à fort contraste pour la tranche de semi-conducteur à graver, un équipement et un réticule particulièrement adaptés à sa mise en oeuvre.
L'invention s'applique au domaine de la micro-électronique notamment sur tranche de silicium, et plus particulièrement à la fabrication de circuits intégrés, de mémoires à très haute densité d'intégration et autres composants, notamment appliqués aux microsystèmes ou aux micro-usinages.
Pour réaliser ces micromotifs, il est procédé successivement à une lithographie suivie d'une gravure de la couche sous-jacente, qui peut être une couche d'interconnexion, une couche de masquage ou d'implantation ionique pour le dopage. La lithographie par radiations lumineuses ou photolithographie est la plus connue. Elle consiste à napper la couche sous- jacente d'une tranche de silicium d'une résine photosensible, puis à insoler sélectivement la photorésine à l'aide d'un rayonnement ultraviolet à travers un masque dont les motifs représentent ceux du circuit intégré. Une image est ainsi déposée et développée dans la résine.
Les zones de la couche sous-jacente non protégées par le masque de la résine restante, sont gravées par attaque ionique réactive dite RIE (initiales de « Reactive lonic Etching » en terminologie anglo-saxonne), ou par attaque chimique pour graver la couche sous-jacente selon les contours des motifs souhaités. Le reste de la résine est enfin éliminé à l'aide d'un solvant sélectif. Selon les besoins, la couche sous-jacente de la tranche de silicium peut être une couche conductrice, par exemple d'aluminium ou de tungstène, une couche diélectrique, comme du Si02, Si3N4, Ta2θ5, Ti02, WO3, AI2O3, NiO, etc., ou une couche semi-conductrice. Cependant, les procédés photolithographiques sont de plus en plus délicats à mettre en œuvre du fait que les motifs à réaliser ont des dimensions de plus en plus réduites, par exemple sensiblement inférieures au micron : on parle alors de micromotifs et de procédés microlithographiques. De plus, les circuits, de plus en plus complexes, nécessitent à l'heure actuelle la superposition de plus de dix niveaux de masquage, ou même davantage, avec des précisions pouvant aller jusqu'à la centaine d'angstrόms et même au-delà. Pour augmenter la résolution de l'image enregistrée, il est apparu nécessaire d'utiliser un rayonnement d'insolation pour la lithographie de plus courte longueur d'onde possible, associée à une énergie la plus élevée possible. C'est ainsi que, comme décrit dans l'article du journal « Semiconductor International » de mars 1999, intitulé « Next Génération Lithography Tools : The Choices Narrow », les équipements actuels utilisent des lasers excimères de longueur d'onde égale à 248nm, dans des dispositifs appelés DUT (initiales de « Deep Ultra Violet », c'est-à-dire « ultraviolet profond » en terminologie anglo-saxonne).
Des dispositifs utilisant une longueur d'onde encore plus courte sont également décrits. Ces dispositifs, appelés EUV (initiales de « Extrem Ultra Violet », « ultraviolet extrême » en terminologie anglo-saxonne), mettent en œuvre un rayonnement de longueur d'onde égale à 157 nm, proche des rayons X mous. Les EUV fonctionnent sous vide et utilisent comme source un jet supersonique de Xénon chauffé par un laser de type Nd:YAG, produisant des radiations d'énergie de l'ordre de 45 eV. Cette solution est complexe et coûteuse à mettre en œuvre. Ce type de technologie définit la limite de ce qu'il est possible d'obtenir en optimisant les performances purement optiques.
D'autres technologies non optiques se sont développées, basées sur l'utilisation de rayons X, de faisceaux d'électrons, ou de faisceaux ioniques. La lithographie par projection ionique (IPL) présente l'avantage d'utiliser des sources puissantes combinées à des dispositifs de concentration de faisceau performants. Selon cette technique, le faisceau d'ions (hydrogène ou hélium) provenant d'une source à électrodes multiples est homogénéisé, - mise en forme et parallélisme du faisceau, charge et vitesse uniforme des ions sélectionnées -, puis projeté sur la résine après avoir traversé le réticule. La présente invention relève du domaine de la lithographie ionique.
Les techniques lithographiques non optiques combinent l'utilisation d'un réticule, servant de masque, d'un réducteur pour former un faisceau d'insolation concentré, et d'une résine sensible aux particules sur laquelle se projette ce flux. Après révélation et élimination des zones insolées, la résine sert de protection à la gravure de la couche sous-jacente.
Chaque type de lithographie, optique ou non optique, met en œuvre une résine adaptée au rayonnement ou aux particules utilisées. Cependant, les motifs devenant de dimensions de plus en plus réduites, l'épaisseur de la résine tend également à diminuer. La résine peut alors être attaquée pendant la gravure de la couche sous-jacente. De plus, cette couche présente habituellement un relief accentué, alors que la résine déposée par centrifugation tend à se planariser. Dans ces conditions, la résine a une épaisseur inégale, ce qui ne permet pas une bonne optimisation des conditions d'insolation.
De plus, l'utilisation de résine nécessite la mise en œuvre d'opérations délicates et complexes, dont le résultat final dépend de nombreux facteurs, tels que l'humidité, la température ou la viscosité de la résine :
- le dépôt de la résine à l'état liquide par centrifugation nécessite de nombreuses mises au point pour obtenir une couche la plus homogène possible, alors que des traînées de résine persistent en particulier si la topographie de la couche sous-jacente est trop marquée ; - les étapes de durcissement et d'insolation doivent être contrôlées avec précision en durée et intensité ;
- la révélation se fait par trempage ou par centrifugation d'un solvant;
- le plasma de gravure fait fluer la couche sous-jacente en la chauffant, ce qui modifie les dimensions des motifs.
L'invention vise à réaliser une lithographie ionique à haute résolution et haute fiabilité, et qui ne présente pas les inconvénients précités, en particulier ceux liés à l'utilisation d'une résine. Pour ce faire, l'invention combine l'utilisation d'un faisceau d'ions multichargés, optimisés pour obtenir la résolution désirée, et d'un revêtement déposé sur la couche sous-jacente à graver, apte à être éliminé sélectivement par des mécanismes d'interaction spécifique. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de lithographie ionique pour un substrat, notamment une tranche de semiconducteur, recouvert d'une couche sous-jacente dans laquelle des micromotifs sont à réaliser, du type comportant une source d'ions et un réticule pour une mise en forme du faisceau d'ions dont le profil d'intensité est découpé pour correspondre aux micromotifs à réaliser dans la couche sous-jacente, après passage à travers une optique ionique de réduction. Selon le procédé de l'invention, les ions sont produits et traités sous vide. Les ions sont décélères, après avoir été sélectionnés en charge, en vitesse, en direction, en densité et après découpe du faisceau sur le réticule selon le profil d'intensité souhaité, les ions interagissent avec un revêtement multicouche déposé sur la couche sous- jacente. Le faisceau ionique découpe alors les micromotifs dans la première couche diélectrique de ce revêtement, pour servir de masque à au moins une gravure ionique réactive de type RIE (initiales de Reactive lonic Etching en terminologie anglo-saxonne) destinée à former ces mêmes micromotifs dans la couche sous-jacente.
Selon un mode particulier du procédé de l'invention, le faisceau d'ions est découpé sur le réticule par réflexion. Pour ce faire, le faisceau ionique, ralenti jusqu'à atteindre une vitesse quasi nulle, est sélectivement réfléchi par interaction à distance avec des motifs en matériau semi-conducteur du réticule conformément aux micromotifs à réaliser, puis concentré à travers l'optique ionique de réduction et réglé en vitesse pour graver le revêtement de la couche sous-jacente. En variante, le faisceau peut ainsi être réaccéléré pour atteindre une énergie suffisante pour graver par exemple une résine ionosensible selon une gravure classique de type IPL.
Alternativement, le faisceau est mis en forme par transmission au travers d'un masque. Le faisceau d'ions passe alors à travers un réticule de type pochoir avant d'être concentré à travers l'optique ionique de réduction et décéléré pour graver la première couche du revêtement. Le procédé de l'invention permet d'éviter la mise en œuvre des étapes liées au dépôt et à la révélation de la résine, en particulier des étapes de contrôle de son épaisseur et de limitation du fluage. En effet, les couches du revêtement étant déposées sous vide, leur contrôle en épaisseur est bien maîtrisé et les problèmes liés à la topographie sous-jacente sont éliminés. Il est à souligner en particulier que la sensibilité et le contraste du revêtement sont sensiblement supérieurs à ceux des résines connues.
L'invention concerne également un revêtement à fort contraste. Ce revêtement est multicouche et comporte au moins un « bi-couche » formé d'une couche diélectrique et d'une sous-couche de matériau conducteur.
Lorsque la couche sous-jacente dans laquelle les micromotifs sont à graver, est formée d'un matériau diélectrique, le revêtement à fort contraste est préférentiellement constitué d'un bi-couche dont les épaisseurs relatives respectent la sélectivité de gravure du matériau conducteur par rapport au diélectrique.
Lorsque la couche sous-jacente est formée d'un matériau conducteur ou semi-conducteur, le revêtement est constitué soit d'un bi-couche formé d'une couche de matériau diélectrique et de la couche sous-jacente, soit du bi-couche précédent (formé d'une couche de matériau diélectrique déposée sur une sous-couche de matériau conducteur). Les épaisseurs relatives des couches successives respectent la sélectivité de gravure des matériaux de ces couches et sont calculées à partir de l'épaisseur de la couche sous-jacente finale utilisée. Lorsque cette couche est fine, par exemple inférieure au micron pour de l'aluminium, le simple bi-couche est avantageusement mis en œuvre pour utiliser des couches d'épaisseurs raisonnables.
L'invention concerne également un équipement de lithographie ionique, disposé dans une enceinte sous vide pour la mise en œuvre du procédé. Un tel équipement comporte une source de production d'un faisceau d'ions de type ECR (initiales de « Electron Cyclotron Résonance », en dénomination anglo-saxonne) couplée à des moyens de sélection en charge, en densité, en vitesse et en direction des ions, ainsi qu'à des moyens de découpe à travers un réticule selon un profil correspondant aux micromotifs à graver et à des moyens de réglage de vitesse des ions disposés après concentration par des moyens optiques de réduction du faisceau sélectionné et découpé.
Selon des modes particuliers de mise en œuvre : - le substrat est monté sur des moyens mobiles selon deux directions orthogonales ;
- le réticule est à réflexion et présente au moins une couche de matériau semi-conducteur apte à réfléchir les ions conformément aux micromotifs à réaliser, et dans lequel des moyens de décélération des ions sont disposés à l'approche du réticule ;
- le réticule présente au moins deux couches, l'une de ces couches étant découpée selon les micromotifs à réaliser, soit une couche de matériau conducteur, par exemple en aluminium, tungstène, titane ou or, et une couche de matériau semi-conducteur, soit deux couches de matériau conducteur portées à deux potentiels électriques différents;
- le réticule présente une couche superficielle de matériau conducteur sensiblement plane, découpée selon les micromotifs à réaliser par gravure des micromotifs ou de leurs contours, soit pour y noyer un matériau semi-conducteur réflecteur d'ions, soit pour définir des parties de couche portées à deux potentiels électriques différents;
- le réticule est de type à transmission et est réalisé sous la forme d'un pochoir mécanique à fenêtres, les ions étant éventuellement ajustés en vitesse qu'à l'approche du revêtement de la tranche de semi- conducteur à graver ;
- la source ECR produit des ions dont l'énergie cinétique est comprise entre 5 et 20 keV/q par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts ;
- les ions générés sont des ions de gaz rares de charge uniforme, pris parmi les gaz Argon, Azote, Néon, Krypton et Xénon, les ions étant sélectionnés en nature et en direction par tri magnétique en fonction de leur rapport charge/masse, par exemple par spectromètre de masse ;
- les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme comprise, au sens large, entre +8 à +18 ; - la densité des ions à l'approche du revêtement est comprise entre 108 et 1016 ions/cm2.s, de préférence entre 1012 et 1015 ions/cm2.s ; - la direction et la densité des ions sont contrôlées par des moyens de réglage de la source d'ions et de réglage des dimensions du faisceau par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique ;
- une sélection fine des ions en direction, en vitesse et en parallélisme est réalisée respectivement par un scanner, par des moyens de filtrage de type passe-bande ou passe-haut à champ électrique, qui sélectionnent les ions en vitesse en fonction de leur énergie cinétique, et par des moyens de collimation, qui sélectionnent les ions en direction par élimination des ions dont la vitesse latérale est supérieure à un certain seuil ; les moyens de collimation sont constitués preferentiellement par une série de diaphragmes de diamètre millimétrique et distants de quelques dizaines de centimètres ;
- des moyens de contrôle de l'uniformité de gravure comportent un détecteur de photons qui mesure le nombre, l'énergie et la position d'émission des photons produits lors de l'interaction des ions avec la surface du substrat à graver.
- la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de volts ; - le réticule à réflexion est disposé selon un plan incliné par rapport à la direction générale du faisceau incident et des moyens électromagnétiques sont prévus pour former des lignes de champ magnétique parallèles à la surface du réticule; l'intensité du courant est réglée pour que le champ magnétique dévie le faisceau d'ions perpendiculairement de la surface du réticule.
Un aspect particulier de l'invention concerne donc le réticule à réflexion, particulièrement mais non exclusivement adapté à un tel équipement. Le réticule à réflexion est formé d'un substrat plein, par exemple en quartz fondu ou formé d'une tranche de silicium ou équivalent, recouvert d'au moins deux couches de matériau conducteur et semi-conducteur, la première couche nappant toute la surface du substrat et la ou les autre(s) couches étant découpées soit pour former des micromotifs soit pour laisser apparaître des zones sous-jacentes conformées selon ces micromotifs. Les zones correspondant aux micromotifs sont en matériau semi-conducteur qui rétrodiffuse les ions par effet dit trampoline, les autres couches sont en matériau conducteur qui neutralise les ions.
Selon une variante, les couches sont en matériau conducteur et portées à des potentiels électriques différents, tels que les zones correspondant aux micromotifs rétrodiffusent les ions, les autres couches neutralisant les ions.
Selon une autre variante, le réticule à réflexion est formé d'un substrat plein, recouvert d'au moins une couche de matériau conducteur sensiblement plane nappant toute la surface du substrat. Cette couche est gravée pour former soit les micromotifs à réaliser dans lesquels un matériau semi-conducteur réfléchissant les ions par effet trampoline est noyé, soit des contours des micromotifs à réaliser pour définir des parties de couche portées à des potentiels différents.
Le réticule à réflexion est réalisé par dépôt et gravure de couches successives selon les techniques classiques de la pulvérisation cathodique, de la gravure ionique réactive et/ou de la lithographie électronique.
Selon une variante de réalisation, l'équipement précédent est couplé à d'autres chambres de dépôt et de gravure pour former un ensemble ou « cluster » (amas en terminologie anglo-saxonne), afin de graver par RIE les couches du revêtement sous-jacentes à la première couche diélectrique, les chambres communiquant à travers un sas de liaison sous vide.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, relative à des exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement :
- la figure 1 , une vue en coupe schématique, perpendiculaire au plan du substrat à insoler, d'un exemple d'équipement de lithographie ionique selon l'invention ;
- les figures 2a à 2c, une vue en coupe schématique d'un exemple de revêtement multicouche selon l'invention, illustrant la gravure d'une tranche de semi-conducteur à couche diélectrique ; - la figure 3, une vue en coupe schématique d'un exemple de revêtement multicouche selon l'invention, illustrant la gravure d'une tranche de semi-conducteur à sous-couche métallique ; et
- la figure 4, une vue en coupe schématique d'un exemple de revêtement de surface à topographie complexe.
Sur les figures, les mêmes signes de référence désignent des éléments identiques.
L'équipement illustré en coupe sur la figure 1 est disposé dans une enceinte sous un vide poussé, de l'ordre de 10"6 à 10"11 mbar, obtenu par des moyens de pompage connus.
L'équipement comporte une source 10 de faisceau d'ions, de type ECR. La source produit des ions Argon Ar14+ à basse énergie cinétique, de quelques keV/q (q étant le nombre de charges par ion), généralement de 1 à 20 keV/q, 10 keV/q dans l'exemple de mise en oeuvre. L'énergie cinétique d'extraction est réglée par l'application d'une tension d'extraction, qui est égale à 10 kV dans le cas présent.
A la sortie de la source 10, les ions produits selon un faisceau F1 sont triés en charge, suivant leur rapport masse/charge, par un électroaimant de tri 20. Un spectromètre de masse réalise ce type de sélection. Les paramètres de réglage de la source et des dimensions du faisceau d'ions sont par ailleurs ajustés par des moyens d'application de champ électrique ou magnétique, pour fournir le débit et la densité d'ions souhaités. La densité des ions est définie à partir du débit, c'est-à-dire par le nombre d'ions par unité de surface et de temps. Dans le cas présent, la densité à la source est de 1012 ions/cm2.s.
Un faisceau d'ions parallèle et homogène F2 est ensuite mis en forme à l'aide des moyens 30 qui sélectionnent les ions en direction, en vitesse et en parallélisme. Un pinceau est ainsi formé de la largeur du réticule 40, mesurée perpendiculairement au plan de la figure, et d'épaisseur de l'ordre de 0,5 à quelques millimètres, 1 mm dans l'exemple illustré.
Les moyens 30 sont composés d'un scanner, d'un filtre et de diaphragmes. Un scanner à collection de charges contrôle la position du faisceau d'ions pour régler sa direction. Un scanner est formé d'un fil, d'une grille ou de plaques qui recueille les charges selon deux directions principales et orthogonales, afin de permettre un comptage des charges selon ces deux directions. Ce comptage permet alors de mesurer les profils d'intensité et de repérer la position du faisceau.
Il est également possible d'utiliser un détecteur de photons permettant d'établir le profil d'intensité et la position du faisceau à partir des photons émis par les ions, lorsqu'ils interagissent soit avec le substrat soit avec le fil, la grille ou les plaques d'un scanner. Un tel détecteur permet de contrôler l'uniformité de la gravure à réaliser.
Les ions sont sélectionnés en vitesse et en direction par des moyens constitués par :
- un filtre de type passe-bande ou passe-haut à champ électrique, connu de l'homme de l'art, qui sélectionne les ions en fonction de leur énergie cinétique, les ions d'énergie égale à environ 10 keV/q étant sélectionnés dans cet exemple ; couplé à
- une série de diaphragmes, de diamètre de l'ordre du millimètre : ces moyens éliminent les ions dont la composante latérale de vitesse, perpendiculaire à la direction générale du faisceau, est supérieure à une valeur donnée, correspondant ici à une énergie cinétique de 1 eV/q.
Le réticule 40 présente globalement une surface plane perpendiculaire au plan de la figure, et parallèle au substrat 60 de la couche sous-jacente à graver. Le réticule est de type à pochoir, le faisceau utile traversant des fenêtres de transmission dont la découpe correspond en proportion aux micromotifs à graver, à un coefficient de grandissement près. Un faisceau F3 est ainsi sélectionné et découpé.
Le faisceau f3 traverse ensuite une optique ionique de réduction 50, de type électrostatique, afin de pouvoir graver des micromotifs, par exemple de la taille de 50 nm. Suivant la dimension des plus petits micromotifs du réticule, par exemple 150, 200, ou 250 nm, un facteur de réduction adapté, égal à 3, 4 ou 5 dans cet exemple, est appliqué par la lentille 50. La vitesse des ions est réduite à l'approche de la tranche de silicium à graver. Un champ électrique diminue l'énergie cinétique des ions à l'approche de la surface de la tranche de silicium 60 jusqu'à atteindre une valeur quasi nulle. Ce champ électrique est produit au milieu d'un condensateur plan formé par une électrode 70 et le réticule entre lesquels on applique une tension ΔU. Cette tension, réglée par un potentiomètre, est ajustée généralement entre 1 et 20 kV, 10 kV dans l'exemple.
Le faisceau d'ions réduit F4 se projette alors sur la surface de la tranche à graver 60. Cette surface résulte de la superposition d'une couche de Si02 61a déposée sur le substrat 63, la couche 61a étant elle-même recouverte d'un revêtement multi-couche 62. la tranche est montée sur un double chariot 6 pour réaliser un balayage deux axes afin de couvrir toute la surface de la tranche. Ce type de chariot est habituellement mis en œuvre en photolithographie, pour permettre la diminution des surfaces dioptriques du fait de l'utilisation d'un faisceau plus étroit.
Le faisceau F4 éjecte sélectivement la matière du matériau diélectrique qui constitue la couche d'interaction du revêtement 62, comme cela est décrit ci-après. La couche diélectrique ainsi gravée, selon la forme de micromotifs souhaitée, va servir de masque pour une gravure RIE du reste du revêtement 62 dans une chambre de gravure annexe. La tranche de silicium est transportée dans cette chambre annexe à travers un sas de liaison.
Un réticule à réflexion peut être utilisé à la place du réticule à transmission. Un tel réticule à réflexion est formé d'une couche de matériau semi-conducteur et d'une couche de matériau conducteur déposées sur un substrat de quartz fondu. La couche de matériau semi-conducteur, réalisée à partir d'une lithographie électronique ou apparaissant à travers le masque de la couche conductrice selon les micromotifs à graver, réfléchit le faisceau d'ions ralenti dans les mêmes conditions que celles décrites ci-dessus. Cette réflexion des ions à proximité du matériau semi-conducteur est une rétrodiffusion provoquée par effet dit « trampoline ». Les autres ions, situés à proximité du matériau conducteur, sont neutralisés par des électrons provenant de ce matériau, puis éliminés par pompage. La mise en œuvre de ce type de réticule utilise donc des ions décélères avant interaction à travers un premier condensateur puis éventuellement ajustés en vitesse à travers un second condensateur après rétrodiffusion. Une réaccélération peut ainsi être produite lorsque, en variante, le réticule est associé à un revêtement de type ionosensible afin de réaliser une gravure IPL. Ce condensateur créé alors un champ électrique d'accélération des ions jusqu'à atteindre une énergie cinétique de l'ordre de quelques dizaines de keV/q. Ce champ électrique est produit par une tension d'accélération ΔU', d'une dizaine de kV dans l'exemple, appliquée aux bornes du condensateur. La tranche de silicium (ou plus généralement le substrat à traiter) est revêtue d'une couche sous-jacente de type diélectrique, par exemple de Si02, de type conducteur, par exemple d'aluminium, ou de type semiconducteur comme du silicium poiycristallin. La structure du revêtement multicouche est adaptée en fonction de la nature de la couche sous-jacente. Dans tous les cas, ce revêtement se compose au minimum d'une première couche diélectrique, en surface d'interaction, par exemple de Si02, et une deuxième couche sous-jacente conductrice, par exemple en aluminium. D'autres couches diélectriques ou conductrices peuvent être prévues pour s'adapter à la nature de la couche sous-jacente. Les figures 2a à 2c illustrent en vue en coupe schématique, un exemple de revêtement multicouche destiné à la gravure d'une tranche de semi-conducteur revêtue d'une couche diélectrique en Si02.
Sur la figure 2a, les ions du faisceau ralenti F4 arrivent à vitesse quasi nulle à proximité de la couche superficielle 621 du revêtement 62. Ce revêtement recouvre la tranche de silicium à graver 60 de substrat 63 à couche sous-jacente diélectrique 61a.
Le revêtement 62 est formé de la couche superficielle de Si02 621 et d'une sous-couche métallique d'aluminium 622, ces deux couches formant le bi-couche de base du revêtement 62. Le bi-couche est déposé sous vide par tout moyen connu, par exemple par pulvérisation cathodique.
Les ions du faisceau F4 interagissent avec la matière diélectrique de la façon suivante : lorsqu'un ion Ar14+ arrive à proximité d'une zone Za de Si02 à graver, les électrons qui forment les liaisons de valence de cette zone Za située en regard de l'ion, sont attirés par l'ion et les liaisons sont fragilisées. La zone Za est alors chargée positivement, ce qui créé entre les atomes de cette zone des forces de répulsion supérieures aux forces de cohésion de la matière : des agglomérats de matière 200, positivement chargés, sont ainsi éjectées de la couche diélectrique 621. On parle d'« explosion coulombienne ». Ces éjections creusent cette couche selon une tranchée droite dans la zone Za jusqu'à atteindre la surface supérieure de la sous-couche métallique 622.
L'intensité des forces de répulsion, et donc la capacité d'extraction de matière qui s'en déduit, dépend des caractéristiques du faisceau d'ions, et en particulier de sa densité de charges qui peut varier entre 108 à 1016 ions/cm2.s, mais plus particulièrement entre 1012 et 1015. Cette densité est contrôlée au niveau du substrat par la dimension du faisceau d'ions réglée par la lentille électrostatique unipolaire qui focalise ce faisceau. le processus d'éjection de matière est auto-stoppant lorsque la tranchée qui se creuse sous l'effet des expulsions de matière atteint la couche métallique. En effet, les ions chargés sont neutralisés par les électrons pompés dans cette couche, et l'expulsion de matière s'arrête faute de matière à éjecter.
Afin d'éviter l'obstruction des tranchées au cours de leur formation, les agglomérats éjectés 200, chargés positivement, sont extraits du fond des tranchées et collectés par un écran électrostatique, ou grâce à un champ électrique qui peut être appliqué à la surface du substrat.
La sous-couche métallique 622 est ensuite gravée par RIE, la couche diélectrique 621 découpée selon les zones de gravure Za formant le masque de gravure RIE. La figure 2b montre le résultat de cette gravure, en mettant en évidence les tranchées Zb formées par les deux gravures successives du bi-couche 62.
Les zones de gravure Zb servent à leur tour de masque à la gravure de la couche sous-jacente 61a du substrat 63. Comme illustré par la figure 2c, la couche d'interconnexion 61 a est alors gravée conformément aux micromotifs correspondant au profil du faisceau F4 (figure 2a).
Les épaisseurs des couches sont calculées pour que, compte tenu de la sélectivité relative des matériaux utilisés, la couche sous-jacente puisse avoir une épaisseur suffisante, compatible avec sa fonction. Dans le cas où la couche sous-jacente diélectrique 61 a a une épaisseur au maximum égal à 60 μm, ce qui reste tout à fait exceptionnel, l'épaisseur du bi-couche peut rester dans des domaines de valeur raisonnables compte tenu de la sélectivité de gravure RIE du métal par rapport au Si02. En effet, il suffit d'une épaisseur de couche diélectrique 621 de 20 nm, ce qui permet de réaliser une gravure par explosion coulombienne, pour qu'une épaisseur de couche d'aluminium sous- jacente de l'ordre de 0,6 μm corresponde en fait à une sélectivité limitée à 30 dans ce cas, afin d'avoir une bonne marge de sécurité. Une telle épaisseur d'aluminium correspond bien une sélectivité de 100 pour la couche sous- jacente de 60 μm d'épaisseur.
Lorsque la couche sous-jacente est une couche métallique, par exemple en aluminium, le revêtement multicouche peut avoir par exemple la structure illustrée à la figure 3. Un tel revêtement comporte le bi-couche 62 déposé sur une couche diélectrique de Si02 intermédiaire 64, elle-même déposée sur la couche sous-jacente 61 b. Dans ces conditions, la gravure d'une couche donnée sert de masque, avec l'ensemble des couches superficielles déjà gravées, à la couche sous-jacente. En particulier, la couche diélectrique 64 sert de masque de gravure de la couche SOUS-JACENTE métallique 61 b. A part la couche diélectrique superficielle 621 du bi-couche, qui est gravée par les ions Ar14+ selon le procédé de l'invention, les autres couches sont gravées par RIE. La nature des couches du revêtement, qui se succèdent de la surface au substrat de silicium 63, est alternée de façon à permettre la conservation d'une épaisseur de couche sous-jacente suffisante, compte tenu de la sélectivité relative des gravures successives.
Dans le cas présent, si la couche diélectrique et la couche d'aluminium du bi-couche ont respectivement une épaisseur de 20 nm et 0,6 μm (sélectivité de 30), la couche sous-jacente de Si02 a avantageusement une épaisseur de 60 μm (sélectivité de 100) et la couche métallique d'interconnexion une épaisseur de 1 ,8 mm, si l'on tient compte de la sélectivité de gravure de l'aluminium par rapport au Si02 (prise égale à 30 pour conserver la même marge de sécurité que précédemment). Une épaisseur de couche sous-jacente de cet ordre de grandeur est largement supérieure à ce qu'il est habituellement nécessaire pour ce type de couche en micro-électronique. En effet, de manière générale, l'épaisseur d'une couche d'aluminium utilisée en interconnexion est de l'ordre de 0,5 à 1 μm. Il peut donc être justifié, dans tous les cas où la topographie de la couche d'interconnexion n'est pas trop complexe, de simplifier la structure du revêtement en utilisant la couche d'interconnexion métallique comme sous- couche conductrice du bi-couche.
La figure 4 illustre un tel revêtement simplifié. Si la couche diélectrique 621 du bi-couche a une épaisseur de 20 nm, la gravure RIE de la couche métallique 61 b, avec le masque obtenu par explosion coulombienne de la couche de Si02 621 , agit sans risque sur une épaisseur de 0,6 μm compte tenu d'une sélectivité sécuritaire de 30. Pour obtenir une épaisseur de 1 μm, il suffit de travailler avec une sélectivité de 50, ce qui est facile à obtenir en optimisant les conditions de gravure RIE.
Lorsque la topographie de la tranche de silicium est très complexe, une planarisation de celle-ci avant dépôt du revêtement pour réaliser la lithographie, est proposée de manière préférentielle afin de s'affranchir des problèmes évoqués en introduction. En référence à la figure 5, une couche de polyimide planarisante 700 est déposée à l'aide des techniques classiques sur la tranche de silicium 630, regroupant pour simplifier le substrat et sa couche SOUS-JACENTE. En variante, cette couche planarisante peut être une résine photo ou ionosensible, utilisée ici pour son caractère planarisant et non pour sa sensibilité. Le bi-couche 62 est ensuite déposé sous vide, puis la lithographie ionique par explosion coulombienne de la couche diélectrique 621 est déclenchée comme précédemment. La lithographie est suivie de la gravure RIE de la sous-couche métallique 622. Cette gravure précède la gravure de la couche planarisante 700 par RIE sous plasma d'oxygène. Enfin, la couche d'interconnexion et/ou le substrat pourront être gravés selon les méthodes habituelles.
Afin de réaliser l'ensemble des dépôts de couches et de gravures de ces couches, une machine sous forme de cluster comportant plusieurs chambres sous vide reliées par un sas est proposé. Une chambre est dédiée au dépôt successif sous vide du revêtement multicouche avec ou sans couche planarisante, une autre à la lithographie ionique par explosion coulombienne, d'autres encore aux différentes gravures RIE réalisée avec des plasmas différents.
L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il est par exemple possible de prévoir des moyens de motorisation programmés et centralisés pour l'entraînement du chariot support de la tranche de silicium. Par ailleurs, le faisceau d'ions peut être rétrodiffusé sur plusieurs réticules qui se succèdent afin de former un faisceau reproduisant une topographie de complexité supérieure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de lithographie ionique sur substrat, notamment sur une tranche de matériau semi-conducteur recouvert d'une sous-couche, du type comportant une source d'ions (10) et un réticule (40) pour une mise en forme du faisceau d'ions (F3) dont le profil est découpé pour correspondre aux micromotifs à réaliser dans la couche sous-jacente, après concentration à travers une optique ionique réductrice (50), caractérisé en ce que, produits et traités sous vide, les ions sont décélères après avoir été sélectionnés en charge, en vitesse, en direction, en densité et en ce que, après avoir découpé le faisceau sur le réticule selon le profil d'intensité souhaité, le faisceau ionique grave les micromotifs dans la première couche diélectrique (621 ) d'un revêtement multicouche d'interaction (62), déposé sous vide sur la couche sous-jacente (61a, 61b) pour servir de masque à au moins une gravure ionique réactive de type RIE destinée à former ces mêmes micromotifs dans la couche sous-jacente (61a, 61b).
2. Procédé de lithographie ionique selon la revendication 1, dans lequel le faisceau d'ions est mis en forme, après avoir été ralenti jusqu'à atteindre une vitesse quasi nulle, en étant réfléchi sélectivement par interaction à distance avec des motifs en matériau semi-conducteur du réticule conformément aux micromotifs à réaliser, le faisceau étant ensuite concentré à travers l'optique ionique réductrice.
3. Procédé de lithographie ionique selon la revendication 2, dans lequel la vitesse du faisceau à proximité du substrat à graver peut être réglée entre quasiment zéro et environ 100 keV/q pour graver le revêtement de la couche sous-jacente.
4. Procédé de lithographie ionique selon la revendication 1 , dans lequel le faisceau est mis en forme par transmission en passant à travers un réticule de type pochoir (40) avant d'être concentré à travers l'optique ionique réductrice (50) et ralenti pour graver la première couche du revêtement (62).
5. Revêtement à fort contraste pour couche sous-jacente déposée sur un substrat, notamment une tranche de semi-conducteur pour la mise en œuvre du procédé selon l'une des Revendications précédentes, caractérisé en ce que ce revêtement (62) est multicouche (621, 622, 64) et comporte au moins un bi-couche formé d'une couche diélectrique (621) et d'une sous-couche de matériau conducteur ou semi-conducteur (622).
6. Revêtement à fort contraste selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque la couche sous-jacente (61a) est formée d'un matériau diélectrique, il est constitué du bi-couche (621 , 622) dont les épaisseurs relatives respectent la sélectivité de gravure du matériau conducteur par rapport au diélectrique.
7. Revêtement à fort contraste selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque la couche sous-jacente est formée d'un matériau conducteur ou semi-conducteur (61b) en particulier d'épaisseur inférieure au micromètre, il est constitué du bi-couche formé d'une couche de matériau diélectrique (621) et de la couche sous-jacente (61 b). 0
8. Revêtement à fort contraste selon la revendication 5, caractérisé en ce que, lorsque la couche sous-jacente est formée d'un matériau conducteur ou semi-conducteur (61 b) en particulier d'épaisseur supérieure au micromètre, il est constitué du bi-couche, formé d'une couche de matériau diélectrique (621) déposée sur une couche de matériau conducteur ou semiconducteur (622), déposé sur une couche de matériau diélectrique (61 ) qui sert de masque à la gravure RIE de la couche sous-jacente (61 b), les épaisseurs relatives des couches successives respectant la sélectivité de gravure des matériaux de ces couches et sont calculées à partir de l'épaisseur de la couche sous-jacente finale utilisée.
9. Equipement de lithographie ionique disposé dans une enceinte sous vide, pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une source de production d'un faisceau d'ions de type ECR (10) couplée à des moyens de sélection (20,30) en charge, en densité, en vitesse et en direction des ions, ainsi qu'à des moyens de mise en forme à travers un réticule (40) selon un profil correspondant aux micromotifs à graver et à des moyens de réglage (70) de la vitesse des ions disposés après concentration par des moyens optiques de réduction (50) du faisceau (F3) sélectionné et mis en forme.
10. Equipement de lithographie ionique selon la revendication précédente, dans lequel la tranche de semi-conducteur (60) est montée sur des moyens mobiles (6) selon deux directions orthogonales.
11. Equipement de lithographie ionique selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le réticule est à réflexion et présente au moins une couche de matériau semi-conducteur apte à réfléchir les ions conformément aux micromotifs à réaliser.
12. Equipement de lithographie ionique selon la revendication 11, dans lequel le réticule présente au moins une couche de matériau conducteur et une couche de matériau semi-conducteur, l'une de ces couches étant découpée selon les micromotifs à réaliser.
13. Equipement de lithographie ionique selon la revendication 11 , dans lequel le réticule présente une couche de matériau conducteur découpée selon les micromotifs à réaliser pour y noyer un matériau semi- conducteur réflecteur d'ions, la surface du réticule étant alors sensiblement plane.
14. Equipement de lithographie ionique selon l'une des revendications 9 ou 10, dans lequel le réticule est de type à transmission (40) et est réalisé sous la forme d'un pochoir mécanique à fenêtres, l'énergie cinétique des ions étant réglée à l'approche du revêtement (62) de la tranche de semiconducteur à graver (60).
15. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel la décélération des ions est obtenue par l'application d'un champ électrique contrôlé par une tension de décélération d'une dizaine de volts.
16. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 9 à 14, dans lequel la source ECR (10) produit des ions dont l'énergie cinétique est comprise entre 5 et 20 keV/q par application d'une tension d'extraction d'une dizaine de kilovolts.
17. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 8 à 16, dans lequel les ions générés sont des ions de gaz rares de charge uniforme, pris parmi les gaz Argon, Azote, Néon, Krypton et Xénon, les ions étant sélectionnés en nature et en direction par tri magnétique (20) en fonction de leur rapport charge/masse.
18. Equipement de lithographie ionique selon la revendication précédente, dans lequel les ions produits sont des ions Argon de charge uniforme comprise, au sens large, entre +8 à +18.
19. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 9 à 18, dans lequel la densité des ions à l'approche du revêtement est comprise entre 108 et 1016 ions/cm2.s, de préférence entre 1012 et 1015 ions/cm2. s.
20. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 9 à 19, dans lequel la direction et la densité des ions sont contrôlées par des moyens de réglage de la source d'ions et de réglage des dimensions du faisceau par l'application d'un champ électrique et/ou magnétique.
21. Equipement de lithographie ionique selon l'une quelconque des revendications 9 à 20, dans lequel des moyens (30) de sélection fine des ions en direction, en vitesse et en parallélisme comportent respectivement un scanner, des moyens de filtrage de type passe-bande ou passe-haut à champ électrique, qui sélectionnent les ions en vitesse en fonction de leur énergie cinétique, et des moyens de collimation, qui sélectionnent les ions en direction par élimination des ions dont la vitesse latérale est supérieure à un certain seuil.
22. Réticule à réflexion pour un équipement selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réticule à réflexion est formé d'un substrat plein, recouvert d'au moins deux couches soit de matériaux conducteur et semi-conducteur soit de matériaux conducteurs, la première couche nappant toute la surface du substrat et la ou les autre(s) couches étant découpées soit pour former des micromotifs soit pour laisser apparaître des zones sous- jacentes conformées selon ces micromotifs, les zones correspondant aux micromotifs rétrodiffusant les ions, les autres couches neutralisant les ions.
23. Réticule à réflexion pour un équipement selon la revendication 13, caractérisé en ce que le réticule à réflexion est formé d'un substrat plein, recouvert d'au moins une couche de matériau conducteur nappant toute la surface du substrat, en ce que cette couche est gravée pour former les micromotifs à réaliser dans lesquels est noyé un matériau semiconducteur réfléchissant les ions par effet trampoline.
24. Réticule à réflexion selon l'une des revendications 22 ou 23, caractérisé en ce que la gravure est réalisée par pulvérisation cathodique, par gravure ionique réactive ou par lithographie électronique.
25. Equipement selon l'une quelconque des revendications 9 à 21 , caractérisé en ce qu'il est couplé à d'autres chambres de dépôt et de gravure pour former un cluster afin de graver par RIE les couches du revêtement sous-jacentes à la première couche diélectrique, les chambres communiquant à travers un sas de liaison sous vide.
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