Brevet FR2588279A1 — publié le 19870410

258827e roc^' de '-ra'ure de couches d'alliages aluminium/cuivre La présente invention concerne la fabrication de circuits intégrés et d'autres dispositifs à semiconducteur à l'état solide comportant des cou- ches métalliques comme couches d'interconnexion, et plus particulièrement un procédé amélioré pour graver ces couches métalliques. Généralement, les circuits intégrés sont formés sur des substrats de silicium ou de saphir qui d'une manière caractéristique sont de forme circulaire et sont appelés "pastilles" ou "puces". De fait, tous les procédés de fabrication de circuits intégrés comportent une étape de métallisation au cours de laquelle au moins une couche d'un métal conducteur tel que de l'alu- minium ou un alliage d'aluminium est constituée sous la forme d'une couche discrète sur le substrat, et une étape de gravure au cours de laquelle un ou plusieurs motifs sont créés dans la couche métallique discrète suivant un motif prédéterminé. Chaque couche métallique gravée sert de couche d'inter- connexion pour certains ou pour la totalité des dispositifs placés sur le substrat. Les motifs dans les couches métalliques sont réalisés à l'aide de photorésists qui sont traités pour servir de masques de gravure. Un autre pro- cédé de masquage utilisé pour la gravure de couches d'aluminium ou d'alliage d'aluminium est décrit dans le brevet américain No. 4 314 874 dans lequel des zones sélectionnées de la couche d'aluminium ou d'alliage d'aluminium sont irradiées par un faisceau d'ions oxygène pour constituer des zones d'implan- tation d'ions oxygène. Les zones implantées servent de masque, les zones non implantées de la couche d'aluminium étant gravées en soumettant la couche à la gravure au plasma dans une atmosphère gazeuse de tétrachlorure de carbone, ou dans une atmosphère contenant d'autres gaz de gravure tels que dichlorure de brome (BrCl2) ou trichloréthylène (C2HC13). Des couches métalliques peuvent être gravées à l'aide d'agents de gravure humides ou secs, par exemple, par application d'une solution d'attaque liquide sur les parties non masquées de la couche, par gravure par ions réactifs, et par gravure au plasma. Ces dernières années, la gravure au plasma et la gravure par ions réactifs ont rapidement supplanté la gravure par voie humide dans la techno- logie de la production de circuits intégrés. On connaît plusieurs types dif- férents de systèmes de gravure au plasma ou par ions réactifs utilisés dans la production de circuits intégrés comme illustré par les brevets américains - No. 4 255 230, 4 261 762, 4 353 777, 4 357 195, 4 376 672, 4 405 406, et 4 422 897. La connaissance de la gravure de l'aluminium et de ses alliages n'est pas aussi avancée que celle de la gravure du silicium. On sait que la gravure au plasma et la gravure par ions réactifs de l'aluminium peut être effectuée par différentes substances gazeuses, y compris C12, Br2, HC1, HBr, CC14, BC13. Cependant, la gravure de couches d'aluminium avec des gaz à base de fluor n'est pas possible pour cette raison que le gaz fluorure d'aluminium (produit de réaction de gravure) présente une pression de vapeur relativement faible qui complique son évacuation des systèmes de gravure au plasma ou par ions réactifs. Lorsque des gaz à base de chlore sont utilisés pour la gravure d'aluminium par ions réactifs, il y a formation de chlorure d'aluminium gazeux (AlC13) en tant que produit volatil de réaction de gravure formé. Le gaz chlorure d'aluminium présente une pression de vapeur relativement élevée qui facilite son évacuation des systèmes de gravure. Par conséquent, ce sont sur- tout les gaz à base de chlore qui sont utilisés pour la gravure de l'aluminium au plasma et par ions réactifs. Les techniques de gravure au plasma les plus courantes pour la gravure de couches d'aluminium sur des circuits intégrés utilisent un mélange de gaz CC14 et C12, habituellement en présence d'un gaz inerte tel qu'argon ou hélium. L'art antérieur semble indiquer qu'un bombardement ionique impor- tant est nécessaire pour la gravure au plasma d'aluminium et d'alliages alu- minium/cuivre. On suppose que le bombardement ionique important sert à activer la réaction aluminium/chlore ou à éliminer le revêtement superficiel d'oxyde d'aluminium. En tout cas, l'aluminium et l'aluminium/silicium sont plus faciles à graver que des alliages d'aluminium contenant du cuivre, bien que des allia- ges d'aluminium et de cuivre aient été gravés au plasma à l'aide de CC14 et C12. Dans la gravure au plasma d'alliages aluminium/cuivre, l'un des produits de réaction de gravure est du chlorure de cuivre (CuCl et/ou CuC12). Parce que les chloruresde cuivre sont peu volatils, il est d'usage courant de chauffer les pastilles à environ 200 C pendant la gravure d'alliages d'aluminium contenant du cuivre. Cependant, la gravure d'alliages aluminium/ cuivre a été réalisée sans chauffage délibéré des pastilles. On a aussi suggéré que la gravure d'alliages aluminium/cuivre peut être améliorée par un post-traitement destiné à éliminer les résidus de cuivre. On a proposé que les résidus formés (après gravure) sur des pastilles métallisées à l'aluminium au cuivre, au silicium soient éliminés par rinçage dans de l'acide nitrique, un agent mouillant, et de l'eau désionisée. Une autre suggestion a proposé de faire suivre un procédé de gravure plasmique sous hélium-tétrachlorure de carbone d'un lavage au plasma d'oxygène in situ. Actuellement, dans l'industrie des semiconducteurs, la tendance est à l'utilisation de machines graveuses de pastilles unitaires dutype cassette à cassette pour graver des couches d'aluminium ou d'alliages d'aluminium sur des pastilles de silicium. Les graveuses de pastilles unitaires sont des machines à graver au plasma dans lesquelles on soumet une seule pastille à la fois à la gravure au plasma dans une enceinte à vide, la graveuse de pastilles unitaires compre- nant des moyens pour amener automatiquement des pastilles une par une depuis une cassette d'entrée dans une enceinte à vide, et pour sortir les pastilles une par une de l'enceinte à vide et les transférer à une cassette de sortie. Les machines graveuses à pastilles unitaires au plasma possèdent dans l'en- ceinte à vide deux électrodes espacées verticalement et placées face à face, et reliées à une alimentation électrique HF. L'électrode inférieure est reliée à la terre et la machine comporte de manière caractéristique des moyens pour fixer par serrage la pastille à l'électrode de terre pendant que la pastille est en cours de gravure. Les graveuses de pastilles unitaires présentent cet avantage que la totalité de l'opération de gravure est automatisée et réalisée sans l'inter- vention d'un opérateur. Mais, en raison du fait que des alliages aluminium/ cuivre sont plus difficiles à graver que des couches d'aluminium, il s'est avéré en fait impossible de graver correctement des couches d'alliages alu- minium/cuivre en machine à graver au plasma des pastilles unitaires à commande automatique pour atteindre un taux de production comparable à celui obtenu pour la gravure de pastilles contenant des couches d'aluminium. Au lieu de cela, l'industrie a utilisé la gravure par lot dans laquelle on grave n'im- porte o de 5 à 30 pastilles à la fois. Le premier but de l'invention est de proposer un procédé amélioré pour graver des couches d'alliages aluminium/cuivre utilisant des techniques de la gravure au plasma. Un but plus spécifique de l'invention est de proposer un procédé pour graver des couches d'alliages aluminium/cuivre sur des pastilles à semi- conducteurs plus rapide que des techniques de gravure au plasma de l'art 2588279: antérieur. Ceci et d'autres buts de l'invention sont atteints en réalisant la gravure au plasma d'alliages aluminium/cuivre à une pression relativement élevée et à une température relativement faible dans l'enceinte de gravure. La gravure est réalisée avec une puissance par unité de surface sensiblement supérieure à celle habituellement utilisée pour la gravure au plasma d'alliages aluminium/cuivre. D'autres caractéristiques et bien des avantages de l'invention sont présentés dans la description détaillée suivante de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels les figures 1A-1F illustrent schématiquement une séquence de gravure d'alumi- nium classique. La présente invention est destinée à être utilisée pour faciliter la gravure d'alliages aluminium/cuivre dans différents procédés de fabrication de semiconducteurs. Les figures 1A à 1F illustrent les multiples étapes d'une séquence type de métallisation et de gravure d'aluminium utilisée dans l'in- dustrie des semiconducteurs qui peut être améliorée par une gravure selon le procédé de la présente invention. En référence à la figure 1A, un substrat de silicium ou puce 2 pré- sente sur une de ses surfaces des parties recouvertes de SiO2 formant des flots 4 et, à leur tour, des parties des ilots 4 de SiO2 sont recouvertes d'un verre 6. Sur la figure lB, une couche 8 d'aluminium a été déposée sur le verre et les surfaces de silicium nues. Sur la figure 1C, un photorésist 10 a été déposé sur les couches d'aluminium. Sur la figure 1D, le photorésist a été déposé pour former un motif et développé, en conséquence de quoi, certaines parties du photorésist ont été éliminées et d'autres parties 10OA de celui-ci restent. Sur la figure 1E, les parties nues de l'aluminium ont été éliminées par gravure. Sur la figure 1F, le photorésist a été éliminé, ce qui a pour effet de dénuder des portions de couche de verre 6 et de couche d'aluminium 8. Lorsque l'on grave au plasma des alliages aluminium/cuivre en uti- lisant des gaz contenant du chlore comme indiqué ci-dessus, les produits de réaction normaux sont du CuCl et du CuC12. Ces deux produits de réaction pré- sentent une pression de vapeur très faible qui complique leur évacuation de l'enceinte de réaction. On s'est attaqué au problème d'évacuation de ces pro- duits de réaction en ayant recours à l'utilisation d'unepressicn basse et d'une température élevée dans l'enceinte de gravure. De manière caractéristique, la gravure d'alliages aluminium/cuivre à l'aide de tétrachlorure de carbone et de chlore a été réalisée à une température comprise entre 70 et 100 C et à une pression comprise entre 1 et 20 millitorrs (0,1333 et 2,667 Pa). Cepen- dant, même dans ces conditions la gravure d'alliages aluminium/cuivre est relativement lente. En conséquence de quoi, comme indiqué plus haut, on pré- fère dans l'industrie réaliser la gravure par lot plutSt qu'à l'aide d'une gravure au plasma de pastilles unitaires automatisée. Nous avons découvert que la gravure au plasma de couches d'alliages aluminium/cuivre à l'aide de gaz contenant du chlore peut se faire à une cadence plus rapide en augmentant la pression de l'enceinte à vide jusqu'à un niveau substantiellement supérieur à 20 millitorrs (2,667 Pa), et en rédui- sans la température à un niveau substantiellement inférieur à 70 C. Plus particulièrement, nous avons déterminé qu'il est possible d'atteindre de meilleures cadences de gravure si les couches d'alliages aluminium/cuivre sont gravées à l'aide d'un mélange de tétrachlorure de carbone et de chlore, si la pression à l'intérieur de l'enceinte à vide est maintenue entre 300 et 1500 millitorrs (40 et 200 Pa), de préférence entre 500 et 900 millitorrs (66,7 et 120 Pa) environ, et si la température dans l'enceinte à vide (c'est-à-dire à la surface de la couche de métal déposée sur le substrat) est maintenue à une valeur comprise entre - 30 C et + 15 C, de préférence entre - 5 C et + 10 C environ. Les conditions ci-dessus sont adaptées à la gravure de couches d'alliages aluminium/cuivre contenant jus- qu'à 4 % de cuivre (le reste étant de l'aluminium). Une autre différence par rapport aux techniques antérieures consiste à réaliser de préférence le procédé de gravure en utilisant des puissances par unité de surface maximales comprises dans une plage de 1,5 à 3,5 Watts par centimètre carré. Des puissances par unité de surface tombant jusqu'à environ 1 Watt par centimètre carré peuvent cependant être utilisées lorsqu'une optimisation du taux de production n'est pas critique. Des procédés antérieurs connus ont proposé des puissances par unité de surface maximales d'un Watt par centimètre carré. La composition du mélange gazeux de gravure peut varier. De préfé- rence, le rapport entre CCl4 et C12 se situe dans la plage allant de 3:1 à 10:1 en volume, et le rapport entre ces gaz et le diluant inerte (généralement 2588279: de l'hélium) varie de 1:1 à 5:1 environ en volume. Dans une machine à graver des pastilles unitaires du type cassette à cassette, les gaz actifs, c'est-à-dire, le mélange de CCl14 et C12, sont introduits dans l'enceinte de réaction à des débits compris entre environ 10 et 50 SCCM (centimètres cubes standards), de préférence entre environ 25 et 35 SCCM, et l'arrivée du gaz diluant, par exemple, de l'hélium, est maintenue à un débit compris entre environ 50 et 500 SCCM. On donne ci-après un exemple particulier illustrant le mode de réalisation préféré de l'invention. Dans cet exemple, le procédé de gravure est mis en oeuvre dans une Machine à Graver des Pastilles Unitaires du type Cassette à Cassette Balzers Modèle SWE 654 fabriquée et vendue par Balzers AG au Liechtenstein et Balzers à HUSTON, NH 03051. EXEMPLE Plusieurs pastilles de silicium recouvertes de couches de 1 micron d'épaisseur d'un alliage aluminium/cuivre contenant environ 4 % de cuivre ont été placées dans une cassette d'émission à l'intérieur de l'enceinte d'émission d'une machine de gravure au plasma de pastilles unitaires Balzers SWE 654, et y ont été maintenues dans une atmosphère d'hélium à une press sion d'environ 0,5 à 1,5 torr (66,7 à 200 Pa). Ensuite, chaque pastille a été à tour de rôle sortie de l'enceinte d'émission départ et transférée dans l'enceinte de réaction à vide o elle a été soumise à la gravure au plasma dans les conditions décrites ci-après, après quoi elle a été sortie de l'enceinte de réaction et transférée dans la cassette de réception à l'intérieur de l'enceinte de réception. Au moment de son introduction dans l'enceinte de réaction, chaque pastille a été fixée par serrage sur l'électrode inférieure et y est main- tenue pendant l'opération de gravure. L'enceinte de réaction a été main- tenue à une pression d'environ 750 millitorrs (100 Pa) pendant l'opération de gravure. De plus, on a fait circuler en continu dans l'électrode infé- rieure un fluide d'échange thermique suivant un trajet tortueux afin de maintenir l'électrode inférieure à une température de l'ordre de +5 C pendant toute la durée de fonctionnement de la machine. Au moment de la mise en place d'une pastille sur l'électrode inférieure, une alimentation électrique HF de 13,56 MHz connectée entre les électrodes a été mise en 2588279. service afin de créer un champ HF entre les deux électrodes, et simultané- ment, un mélange d'hélium, de CC14 et de C12 a été introduit dans l'en- ceinte de réaction par l'intermédiaire de l'électrode supérieure à un dé- bit de 125 SCCM pour d'hélium, 25 SCCM pour le-CC14, et 5 SCCM pour le C12. Les deux électrodes étaient placées à une distance de l'ordre de 7 à 14 millimètres l'une par rapport à l'autre et l'alimentation électrique était appliquée à un niveau de puissance de l'ordre de 100 à 250 Watts. Ce niveau de puissance se traduisait par une puissance par unité de surface de l'or- dre de 2,8-3 Watts par centimètre carré de pastilles. L'alimentation élec- trique et l'arrivée de gaz dans l'enceinte de réaction ont été coupées au bout d'environ 120 secondes, après quoi la pastille a été détachée de l'électrode inférieure et transférée dans l'enceinte de réception o elle a été reçue par une cassette de réception. L'alimentation électrique et l'arrivée de gaz ont été rétablies une fois la pastille suivante introduite dans l'enceinte de réaction et fixée par serrage sur l'électrode inférieure. Chaque pastille a été soumise à la gravure dans les mêmes conditions et pendant la même période de temps de 120 secondes. La cassette de réception a été maintenue dans une atmosphère d'hélium à une pression de l'ordre de 0,5 à 1,5 torr (66,7 à 20 Pa). Un examen ultérieur des pastilles dans l'enceinte de réception a révélé que les couches d'alliage aluminium/cuivre déposées sur les pas- tilles étaient totalement gravées sur toute leur épaisseur. Les conditions opératoires ci-dessus ont permis d'exploiter la machine de façon à réaliser de manière satisfaisante la gravure d'au moins 30 pastilles à l'heure. Divers essais expérimentaux ont confirmé que le procédé de cette invention fonctionne aussi bien si l'on modifie les conditions opératoires dans les limites précisées précédemment et si l'on change la composition du gaz de gravure dans les limites indiquées ci-dessus. En outre, le gaz de gravure par exemple, peut, contenir peu ou pas de C12 et comprendre un gaz contenant du brome du type mentionné ci-dessus, ou du trichlorure d'éthylène (C2HCt3). On peut, bien sûr, supprimer ou remplacer par un autre gaz non réactif approprié, tel que l'argon, l'hélium qui sert de gaz por- teur ou de gaz diluant. Un avantage de l'invention réside dans le fait que la gravure au plasma de couches d'alliages aluminium/cuivre sur des substrats semi- 2S88279, conducteurs peut être réalisée avec précision et sous contr8le à une cadence supérieure à celle permise antérieurement, facilitant ainsi l'uti- lisation de machines à graver des pastilles unitaires commandées par or- dinateur comme le souhaite l'industrie des semiconducteurs. Il est aussi entendu que l'invention fonctionne aussi bien si l'on fait varier la composition de l'alliage aluminium/cuivre, et la pro- portion de cuivre dans l'alliage peut être substantiellement inférieure à 4 % en poids de l'alliage utilisé dans l'exemple ci-dessus. Ainsi, l'in- vention peut-elle être utilisée pour graver des alliages aluminium/cuivre contenant 2 % de cuivre. Si l'invention a été décrite comme un procédé de gravure pour des couches d'alliages aluminium/cuivre, il est entendu que l'invention peut également s'appliquer à la gravure de l'aluminium ou d'autres alliages d'aluminium tels que des alliages aluminium/silicium/cuivre, aluminium/ manganèse etautres. En tout état de cause, l'invention peut être utilisée pour la fabrication d'un grand nombre de dispositifs à semiconducteurs nécessitant la gravure au plasma ou par ions réactifs de motifs dans une couche d'alliage d'aluminium. -88279 REVENDICATIONS 1. Procédé pour graver une couche d'alliage aluminium/cuivre sur une pastille à semiconducteur, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en place la pastille à semiconducteurs entre deux électrodes dans une en- ceinte de gravure au plasma; et à exposer ladite pastille à l'intérieur de ladite enceinte à un plasma gazeux contenant du chlore, à une pression comprise entre 300 et 1500 millitorrs (40 et 200 Pa et à une temperature comprise entre -30 C et +15 C pendant une durée suffisante pour graver ladite couche à la profondeur désirée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plasma gazeux est formé en injectant un mélange de CC14 et de C12 dans un champ d'énergie électrique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit alliage aluminium/cuivre contient jusqu'à 4 % en poids de cuivre. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'énergie électrique est un courant HF fourni à raison de 1,5 à 3,5 Watts par centimètre carré. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit mélange contient un gaz porteur inerte. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit gaz porteur est de l'hélium. 7. Procédé selon l'une des revendicationsl à 6, caractérisé en ce que la pression à l'intérieur de ladite enceinte de réaction est main- tenue à une valeur de l'ordre de 500 à 900 millitorrs (66,7 à 120 Pa) et la température à l'intérieur de ladite enceinte est maintenue à une valeur comprise entre environ -5 et +10 C. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que du CCI4 et du chlore sont introduits dans ladite enceinte de réaction avec un débit global de l'ordre de 10 à 50 SCCM. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que CCi4 est introduit dans ladite enceinte de réaction avec un débit de l'ordre de 25 SCCM. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que C12 est introduit dans ladite enceinte de réaction avec un débit de l'ordre de SCCM. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que de l'hélium est introduit dans ladite enceinte de réaction en mélange avec du CC14 et du C12.