Brevet FR2588418A1 — publié le 19870410

- _- 2588418 Procédé de formation d'un réseau métallique multicouche d'interconnexion des composants d'un circuit intégré de haute densité et circuit intégré en résultant. L'invention se rapporte a un procédé de formation d'un réseau métallique multicouche d'interconnexion des composants d'un circuit intégré de haute densité, ainsi qu'au circuit intégré en résultant, couramment appelé chip ou puce VLSI (Very Large Scale Integration). Les procédés classiques de formation d'un réseau multicouche d'interconnexion des composants d'une puce consistent essentiellement à former une couche métallique sur une couche diélectrique recouvrant une couche métallique inférieure composée de conducteurs. Actuellement, les couches conductrices sont ordinairement en aluminium et ont une épaisseur de l'ordre du micromètre. Initialement, la couche métallique inférieure a une épaisseur uniforme et recouvre une surface de base s'étalant au-dessus des composants de la puce. Les conducteurs sont ordinairement gravés en plaçant la couche métallique inférieure sous plasma réactif. Cette gravure est pratiquement anisotrope. Elle s'effectue dans le sens de l'épaisseur de la couche et donne ainsi aux conducteurs une section approximativement rectangulaire. A l'heure actuelle, le pas typique des conducteurs métalliques est de 6 micromètres (6 um) pour une largeur de 3 um, et il est souhaitable que ces dimensions puissent être abaissées. La couche gravée est ensuite recouverte d'une couche diélectrique faite ordinairement par un dépôt chimique de dioxyde de silicium minéral (SiO2) en phase vapeur. L'épaisseur typique de cette couche est de l'ordre de 0,8 um. Il est souhaitable que la couche diélectrique ait une épaisseur uniforme sur toute la couche métallique -2- inférieure pour assurer une isolation électrique satisfaisante et uniforme entre les deux couches métalliques. Ensuite, on procède à la formation d'ouvertures de contact (vias) à travers la couche diélectrique pour l'interconnexion entre les conducteurs et la couche métallique supérieure. Celle-ci est disposée sur la couche diélectrique et dans ses ouvertures, puis elle est gravée pour former des conducteurs de manière analogue à ceux de la couche inférieure. Cette technique pose actuellement de graves problèmes, préjudiciables à la densité désirée du réseau d'interconnexion et causés essentiellement par les fronts abrupts des conducteurs de la couche inférieure. En effet, au lieu d'obtenir une couche diélectrique d'épaisseur uniforme, l'expérience montre un retrait du diélectrique dans les angles que font les conducteurs avec leur surface de base dans un plan perpendiculaire aux conducteurs. Plus précisément, l'épaisseur de la couche diélectrique diminue progressivement vers le sommet de chaque angle de fond, tangentiellement à une droite correspondant approximativement à la bissectrice de l'angle, appelée ci- après bissectrice par commodité. En elle-même, cette couche présente déjà l'inconvénient d'offrir dans les angles du fond une isolation défectueuse entre les couches métalliques. Le dépôt de la couche conductrice supérieure sur la couche diélectrique pose en pratique le problème majeur, puisqu'il va évidemment amplifier considérablement les défauts de recouvrement de la couche diélectrique. Effectivement, l'expérience révèle un amincissement très prononcé de la couche conductrice, tangentiellement à la bissectrice des angles du fond. La couche métallique vue 3- dans chaque angle du fond et dans un plan normal aux conducteurs prend ainsi la forme de deux lèvres adjacentes, tangentielles au plan bissecteur de l'angle du fond. L'amincissement présent à la jonction des lèvres crée une résistance électrique indésirable, que la couche accumule dans l'ensemble de ses angles de fond. Cet inconvénient est encore aggravé lorsque la surface de base des conducteurs inférieurs n'est pas plane et qu'elle recouvre un relief analogue à angles droits. C'est le cas par exemple lorsque la couche conductrice inférieure est métallique et recouvre une autre couche conductrice, en silicium polycristallin -ou métallique. Dans ce cas, deux conducteurs peuvent se superposer et créer un vallonnement plus accentué, qui va se répercuter par un amincissement plus étendu et plus accentué de la couche conductrice le long des parois verticales et, par conséquent, par une liaison électrique défectueuse avec la partie adjacente du fond. Dans tous les cas, les conducteurs de la couche supérieure vont ainsi présenter une suite de résistances appréciables dans tous ses angles de fond et poser des problèmes de fiabilité. La solution actuellement adoptée pour pallier ce grave inconvénient a été de produire des micrograins conducteurs entre les lèvres de la couche conductrice supérieure dans chaque angle du fond. Cependant, il est clair que l'efficacité de ces micrograins est souvent insuffisante. En outre, même si elle s'avérait suffisante, le vallonnement de la couche inférieure soulève un autre problème pour la gravure de la couche conductrice supérieure. La gravure est aussi faite de préférence sous plasma réactif, dont la durée est déterminée par 1 -pa sseur de la couche à graver. Etant donné que la gravure sous plasma reactif est anisotrope et qu'elle se fait normaleme-at au plan général de la puce, la durée de - 4la gravure est déterminée par l'épaisseur de la couche conductrice suivant cette direction. Au niveau des fronts raides, il s'avère que l'épaisseur de la couche conductrice suivant cette direction peut atteindre une valeur double de celle des autres parties de la couche qui déterminent le temps de la gravure. La gravure doit donc être poursuivie jusqu'à complète élimination des parties conductrices sur les fronts raides de la couche diélectrique afin d'assurer l'isolation électrique parfaite entre conducteurs voisins. Cependant, la durée supplémentaire de la gravure altère sensiblement sa qualité. De surcroît, la forme de lèvre que présente la couche diélectrique sur les fronts raides de la couche conductrice inférieure pose un problème particulièrement important et pratiquement insoluble pour la gravure de la couche conductrice supérieure. En effet, le sommet de la lèvre de la couche diélectrique fait écran à la partie métallique placée dans la zone d'ombre du plasma réactif. La gravure s'avère donc imparfaite, laissant des parties résiduelles conductrices aux conséquences facheuses, souvent intolérables (risque de court-circuit,...). Une solution à tous ces problèmes, présentée dans une demande de brevet connexe de la demanderesse, consiste à rendre approximativement plane la surface de support de la couche métallique multicouche supérieure. Plus précisément, le procédé de formation d'un réseau métallique d'interconnexion des composants d'un circuit intégré de haute densité, comprenant la formation d'une couche métallique sur une couche diélectrique recouvrant une couche métallique inférieure incluant des conducteurs à flancs raides, consiste en ce que, avant la formation de la couche métallique supérieure, on comble approximativement les creux présents dans les intervalles -5- entre les conducteurs, en étalant une suspension diélectrique visqueuse et en procédant au recuit de la suspension. Ce procédé peut être mis en oeuvre de deux façons, selon que la suspension diélectrique est mise avant ou après la formation de la couche diélectrique. On envisagera d'abord le dépôt de la suspension diélectrique sur l'ensemble de la couche métallique inférieure, avant formation de la couche diélectrique par dépôt chimique. La suspension remplit alors au moins partiellement les intervalles entre les conducteurs et, à cause de sa viscosité, elle s'étale sous forme d'un film mince sur les surfaces supérieures des conducteurs. Le recuit de la solution va déposer et fixer le diélectrique sous une forme moins compacte et de structure différente de celle de la couche diélectrique. Celle-ci est ordinairement formée par dépôt chimique en phase vapeur et recouvre uniformément le diélectrique de la suspension recuite. Bien entendu, elle peut être formée de toute autre manière. Cependant, une différence de nature entre les deux diélectriques soulève quelques difficultés pour la mise en oeuvre de la solution envisagée. D'une part, le diélectrique de la solution recuite présente ordinairement une résistance électrique moins élevée que le diélectrique déposé chimiquement. Sa plus faible isolation électrique limite le rapprochement souhaité des conducteurs entre eux. De fortes densités de conducteurs ne peuvent être obtenues qu'avec des suspensions spéciales ou dans des conditions particulières, nettement plus coûteuses. D'autre part, pour relier les couches métalliques entre elles, des ouvertures de contact sont ménagées travers elles, des ouvertures de contact sont ménagées à travers - 6 - la couche diélectrique et le film mince diélectrique qui recouvrent les conducteurs de la couche inférieure. Les ouvertures sont habituellement gravées par plasma réactif, qui présente une vitesse d'attaque plus élevée pour le diélectrique de la suspension recuite. La gravure normale créerait donc des flancs raides similaires à ceux des conducteurs (16) et produirait le même phénomène de retrait de la couche métallique supérieure dans les angles du fond des ouvertures. Pour éviter le retrait, on a recours à une variante classique de la gravure, qui évase les ouvertures et rend ainsi leurs angles très obtus. Cependant, à cause de la superposition de la couche diélectrique au film diélectrique dans lesquels les vitesses d'attaque sont différentes, cette variante est difficile à maîtriser. Une surexposition s'avère ainsi nécessaire, qui amplifie l'effet de la composante latérale normalement faible de la gravure sous plasma réactif. Il en résulte un évasement différent dans le film et dans la couche, qui confère à chaque ouverture un profil en deux parties tronconiques coaxiales superposées. Cependant, la partie la plus évasée est relative au film et met par conséquent en surplomb les bords de la couche diélectrique supérieure. Un léger surplomb rend déjà difficile ie dépôt de la couche métallique supérieure, par suite d'un phénomène de retrait analogue à celui présenté précédemment. Un surplomb relativement prononcé aboutit souvent à une coupure ou à une mauvaise continuité de la couche métallique supérieure au niveau des ouvertures. Pour pallier cet inconvénient, les ouvertures doivent être gravées selon un procédé très élaboré et plus coûteux. En outre, avant de former la couche conductrice supérieure, il s'avère ordinairement indispensable de soumettre brièvement toute sa surface de support à une solution de nettoyage. Là encore, le diélectrique déposé chimiquement s'avère beaucoup plus résistant à l'attaque - 7 - des solutions de nettoyage. En pratique, le film mince est suffisamment attaqué pour mettre en porte-à-faux les parties de la couche diélectrique avoisinant les ouvertures. Cela aggrave l'inconvénient précédent et s'oppose donc à la mise en oeuvre des procédés classiques de formation de la couche métallique supérieure. La seconde façon de mettre en oeuvre le procédé perfectionné consiste à déposer la suspension diélectrique après formation d'une couche diélectrique par dépôt chimique sur la couche métallique inférieure. Par rapport à la façon précédente, elle a d'abord l'avantage de résoudre le problème d'isolation entre les conducteurs grâce à sa plus grande résistance électrique et de permettre ainsi d'accroître sensiblement la densité des conducteurs, jusqu'à des pas inférieurs à 4 um. Elle a aussi l'avantage de disposer au-dessus de la couche diélectrique les films minces provenant du recuit de la suspension diélectrique. L'évasement plus accentué au niveau de chaque ouverture ne met pas en surplomb la couche inférieure et favorise au contraire le dépôt de la couche métallique supérieure. Cependant, avant le dépôt de cette couche métallique, elle se trouve directement en contact sur toute sa surface avec les solutions de nettoyage. En pratique, on constate une élimination substantielle du diélectrique de la solution recuite, qui fait perdre en grande partie les avantages du procédé proposé. La présente invention remédie aux inconvénients des deux façons de mettre en oeuvre le procédé perfectionné défini plus haut. Selon l'invention, le procédé de formation d'un réseau métallique multicouche d'interconnexion des composants d'un circuit intégré de haute densité, comprenant la - 8 4-1 formation d'une couche métallique sur une couche diélectrique recouvrant une couche métallique inférieure incluant des conducteurs à flancs raides, est caractérisé en ce que, avant la formation de la couche métallique supérieure, il consiste à combler approximativement les creux présents dans les intervalles entre les conducteurs, en étalant une suspension diélectrique visqueuse et en procédant au recuit de la suspension, et à éliminer sensiblement au moins les parties de la suspension recuite situées au-dessus des conducteurs. L'invention se rapporte également au circuit intégré de haute densité qui résulte de la mise en oeuvre de ce procédé. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins: - la figure 1 est une vue en coupe transversale partielle d'un circuit intégré de haute densité conforme à l'invention; les figures 2A-2F sont des vues analogues à celle de la figure 1, illustrant les étapes essentielles du procédé conforme à l'invention pour l'obtention du circuit intégré représenté sur la figure 1; et - les figures 3A-3F sont des vues analogues à celles des figures 1 et 2A-2F, illustrant les étapes essentielles d'une variante du procédé et du circuit intégré conformes à l'invention. Le circuit intégré de haute densité (10) représenté sur la figure 1 se compose d'un substrat semiconducteur (11) - 9 - incorporant un ensemble de composants (12) illustrés schématiquement, et un réseau métallique (13) pour l'interconnexion de composants (12) du substrat (11). Le réseau (13) a généralement comme surface de base la surface supérieure d'une couche d'isolation (14) recouvrant le substrat (11). En technologie MOS (MétalOxyde-Semiconducteur), le réseau métallique (13) recouvre souvent une couche primaire de conducteurs d'interconnexion en silicium polycristallin. Etant donné que les conducteurs polycristallins ne posent pas les problèmes résolus par l'invention, ces conducteurs ne sont pas représentés sur la figure 1, mais il est clair -qu'un circuit intégré conforme à l'invention peut les incorporer. La description du réseau d'interconnexion (13) du circuit intégré (10) représenté sur figure 1 va maintenant être faite en suivant son procédé de fabrication illustré dans les figures 2A-2F. En référence aux figures 1 et 2A, le réseau d'interconnexion (13) comprend d'abord, de manière classique, une couche conductrice inférieure (15) couvrant la face supérieure de la couche d'isolation (14). La couche (15) est composée de conducteurs métalliques (16) séparés par des intervalles (17). Les conducteurs (16) sont généralement parallèles entre eux, dans la direction perpendiculaire aux plans des figures illustrées, et présentent une section sensiblement rectangulaire. Cette section est due à la gravure sous plasma réactif d'une couche métallique initiale recouvrant uniformément la couche d'isolation (14). Certaines variantes de cette gravure permettent d'obtenir des fronts moins raides, qui posent néanmoins les mêmes problèmes que ceux à flancs verticaux. L'expression "conducteurs à flancs raides" doit donc être comprise comme englobant les conducteurs dont l'inclinaison des flancs pose les mêmes problèmes que ceux exposés précédemment et illustrés ci-après. - 10 - De manière classique également, une couche diélectrique (18) est déposée sur l'ensemble de la couche inférieure (15). L'expérienrce révèle qu'un retrait de l'épaisseur de la couche diélectrique (18) se produit dans les angles du fond de la couche (15), c'est-à-dire les angles que forment les conducteurs (16) avec la couche d'isolation (14). Elle est faite ordinairement de dioxyde de silicium minéral déposé chimiquement en phase vapeur. Comme illustré, ce retrait donne à la couche un profil de lèvres qui, dans le plan des figures, convergent tangentiellement à une droite (19) correspondant approximativement à la bissectrice de chaque angle. Ce phénomène est du aux flancs raides des conducteurs et est indépendant de la façon de déposer la couche (18). La suite du procédé classique consisterait à déposer une couche métallique au-dessus de la couche diélectrique (18). Dans ce cas, le profil de cette couche dans les angles du fond serait celui indique par un trait tireté (20) à la figure 2A. On constate que le retrait est nettement accentué par rapport à celui de la couche (18). Le procédé de l'invention remédie à cet inconvénient. D'une manière générale, l'invention consiste d'abord à combler au moins partiellement les creux existant dans les intervalles (17) entre les conducteurs (16), de façon à donner à la couche métallique supérieure une surface de base grossièrement plane. Pour ce faire, une suspension diélectrique visqueuse (21) est déposée sur le circuit intégré (10), puis étalée de manière uniforme sur toute la surface de la couche diélectrique (18). Dans la figure 2B, la suspension (21) a été mise en quantité suffisante pour déborder des creux formés par la couche diélectrique (.18) dans les intervalles (17). L'étalement sera de préférence obtenu par la mise en rotation de la tranche semiconductrice (wafer) incluant le circuit intégré (10), - il - à une vitesse déterminée de manière que la force centrifuge vienne en équilibre avec les forces de viscosité de la suspension. Par exemple, la suspension peut être un gel à base de silice minérale, avantageusement sous forme colloidale, tel que celui appelé couramment S.O.G. (Spin-OnGlass) bien connu dans la technique. Dans ce cas, la suspension diélectrique s'utilise de la même manière que les résines photosensibles servant à la configuration des éléments du circuit intégré. En procédant ensuite au recuit de la suspension (21), le solvant de la suspension s'évapore tandis que le diélectrique forme une masse compacte (22) telle que représentée sur la figure 2C. La masse (22) est essentiellement localisée dans les intervalles (17), mais recouvre aussi d'un film mince (23) la couche diélectrique (18) située au-dessus des conducteurs (16). Il est à noter que les films (23) existeront toujours, quel que soit le degré de remplissage des creux dans les intervalles (17), à cause de la viscosité de la suspension (21) et de son étalement. Dans la figure 2D, la masse diélectrique (22) toute entière a été mise sous plasma réactif pour éliminer uniformément une pellicule d'épaisseur correspondant sensiblement à l'épaisseur des films (23). Il en résulte une surface nouvelle (24) composée des surfaces supérieures mises à nu de la couche diélectrique (18) situées au-dessus des conducteurs (16) et des surfaces supérieures de la masse diélectrique restante (22'). Comme le but est de mettre à nu les surfaces supérieures de la couche diélectrique (18) situées au-dessus des conducteurs (16), la gravure sous plasma réactif peut n'être faite qu'à leur niveau. En effet, leur mise à nu permet d'y ménager des ouvertures de contact sans rencontrer deux variétés de diélectrique. Cependant, s'il s'avérait nécessaire de procéder au nettoyage de la nouvelle surface (24) pourvue de ses ouvertures, le produit de nettoyage attaquerait la masse restante (22') et ferait perdre les - 12 - avantages recherchés de l'invention. C'est pourquoi, dans la figure 2E, on recouvre la nouvelle surface (24) d'une seconde couche diélectrique (25) d'épaisseur uniforme et faite en un matériau résistant au produit de nettoyage. Avantageusement, elle sera faite de la même manière que la couche diélectrique, c'est-à-dire en dioxyde de silicium mineral déposé chimiquement en phase vapeur. L'avantage est d'avoir ainsi une épaisseur diélectrique homogène au- dessus des conducteurs (16), qui va faciliter la gravure des ouvertures de contact (26). Dans la figure 2F, les ouvertures de contact (26) sont ménagées au-dessus des conducteurs (16) pour leur connexion avec la couche métallique supérieure qui va être déposée ultérieurement. De manière classique, les ouvertures (26) sont aussi gravées sous plasma réactif. Le dépôt de la couche métallique supérieure (27) aboutit à la configuration représentée sur la figure 1. Bien entendu, la couche (27) pourra ultérieurement servir de couche inférieure pour la mise en oeuvre du procédé conforme a l'invention de formation d'un réseau d'interconnexion (13) à trois couches métalliques. Les figures 3A à 3F illustrent une variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention et du circuit intégré en résultant. Pour faciliter la lecture, les mêmes chiffres de référence que dans les figures 1 et 2 sont attribués aux mêmes éléments impliqués dans les figures 3A-3F. Dans la figure 3A, la suspension diélectrique (21) est d'abord appliquée sur toute la couche inférieure (15) formée des conducteurs (16) et de leurs intervalles (17). Cet exemple représente comme à la figure 2B le-cas particulier o la suspension remplit et déborde des intervalles (17) pour former une nappe de surface uniforme. Le recuit de la suspension (21) conduit à la formation d'une masse diélectrique compacte (22) remplissant approximativement - 13 - les intervalles (17) et couvrant chaque conducteur (16) d'un film mince (23). Bien entendu, la suspension (21) ne pourrait que remplir partiellement les intervalles (17), mais le recuit conduirait toujours à la formation des films (23). Dans la figure 3C, comme dans la figure 2D, la masse diélectrique (22) toute entière a été mise sous plasma réactif pour éliminer uniformément une pellicule d'épaisseur correspondant sensiblement à l'épaisseur des films (23). Il en résulte une surface nouvelle (24) composée des surfaces supérieures mises a nu des conducteurs (16) et des surfaces supérieures de la masse diélectrique restante (22'). Comme le but est de mettre à nu les conducteurs (16) afin d'éviter la présence de deux variétés de diélectrique lors de la gravure des ouvertures de contact, la gravure sous plasma réactif pour cette mise à nu pourrait se limiter aux films (23). Ensuite (figure 3D), on dépose la couche diélectrique (18) selon le même procédé que précédemment. A la figure 3E, les ouvertures de contact (26) ont été gravées au-dessus des conducteurs (16) à relier à la couche supérieure. On observera que chaque ouverture (26) est maintenant formée d'une seule partie tronconique. A la figure 3F, la couche métallique supérieure (27) a été déposée de la même manière qu'à la figure 1. - 14- 2588418 Revendications 1. Procédé de formation d'un réseau métallique multicouche d'interconnexion (13) des composants (12) d'un circuit intégré de haute densité (10), comprenant la formation d'une couche métallique (25) sur une couche diélectrique (18) recouvrant une couche métallique inférieure (15) incluant des conducteurs (16) à flancs raides, caractérisé en ce que, avant la formation de la couche métallique supérieure, il consiste à combler approximativement les creux présents dans les intervalles (17) entre les conducteurs (16), en étalant une suspension diélectrique visqueuse (21) et en procédant au recuit de la suspension, et à éliminer sensiblement au moins les parties (23) de la suspension recuite situées au-dessus des conducteurs (16). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suspension diélectrique (21) est étalée sur la couche diélectrique (18). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une nouvelle surface (24) étant obtenue après élimination des parties (23) de la suspension recuite (22), il consiste à. recouvrir la nouvelle surface (24) d'une seconde couche diélectrique (25) d'épaisseur uniforme. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suspension diélectrique est étalée sur la couche inférieure (15). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la suspension diélectrique est un gel à base de silice minérale, avantageusement sous forme colloïdale. 6. Circuit intégré de haute densité (10), caractérisé en ce qu'il résulte de la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes.