Brevet FR2588417A1 — publié le 19870410

Procédé de tornmatiun D'in réseau métallique multicouche d'interconnexion des composants d'un circuit intégré de haute densité et circuit intégré en résultant. L'invention se rapporte à 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 intérieure 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 miînexa (Si02) 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 a 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 mtallique vue 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 l'épaisseur de la couche à graver. Etant donné que la gravure sous plasma réactif est anisotrope et qu'elle se fait normalement au plan général de la puce, la durée de - 4 la 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,...). L'invention résout tous ces problèmes, en rendant la surface de support de la couche métallique supérieure approximativement plane. 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 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 _ 5 _ - creux présents dans les intervalles entre les conducteurs, en étalant une suspension diélectrique visqueuse et en procédant au recuit de la suspension. 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 a l'invention; - - les figures 2A-2D 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-3E sont des vues analogues à celles des fiqures 1 et 2A-2D, 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) 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). Cependant, en technologie MOS - 6 - 22588417 (Métal-Oxyde-Semriconducteur), 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 a 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-2D. 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. De manière classique également, une couche diélectrique (18) est déposée sur l'ensemble de la couche inférieure (15). Elle est faite ordinairement de dioxyde de silicium minéral déposé chimiquement en phase vapeur. L'expérience - 7 - 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). 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 dû 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 indiqué 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 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), a 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, - 8avantageusement sous forme colloidale, tel que celui appelé couramment S.O.G. (Spin-On-Glass) bien connu dans la technique. Dans ce cas, la suspension diélectrique visqueuse 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), a cause de la viscosité de la suspension (21) et de son étalement. Dans la figure 2D, les ouvertures de contact (24) sont ménagées au-dessus des conducteurs (16) pour leur connexion avec la couche métallique supérieure qui va être déposée ultérieurement. Les ouvertures (24) sont aussi habituellement gravées sous plasma réactif. La gravure normale créerait donc des flancs raides similaires à ceux des conducteurs (16) et produirait le même phénomène de retrait de la couche supérieure dans les angles du fond des ouvertures (24). Pour éviter le retrait, on a recours à une variante classique de la gravure, qui évase les ouvertures et rend ainsi les angles du fond très obtus. L'angle d'évasement dépend notamment de la nature du matériau gravé. Par conséquent, à cause de la différence de structure des diélectriques de la masse (21) et de la couche (18), la formation de chaque ouverture (24) aboutit à un profil composé de deux parties tronconiques coaxiales, relatives au film (23) et à la couche (18) , la partie relative au film (23) étant plus évasée. Il est à noter que cette variante de gravure sous plasma réactif n'est pas adoptée pour la formation des conducteurs (16), car elle réduirait notablement leur section et s'opposerait au développement des très hautes densités recherchées du réseau d'interconnexion (13). Le dépôt de la couche métallique supérieure (25) aboutit à la configuration représentée sur la figure 1. Bien entendu, la couche (25) pourra ultérieurement servir de couche inférieure pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention de formation d'un réseau d'interconnexion (13) à trois couches métalliques. Les figures 3A à 3E 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-3E. 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 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 à cause de la viscosité de la suspension, son recuit conduirait toujours à la formation de films (23). Ensuite (figure 3C), on dépose la couche diélectrique (18) selon le même procédé que précédemment. A la figure 3D, les ouvertures de contact (24) ont été gravées au-dessus des conducteurs (16) qui sont à relier à la couche métallique supérieure. La gravure est faite selon la variante exposée précédemment, qui devrait par conséquent conférer à chaque ouverture (24) une section tronconique uniforme. Cependant, la maîtrise de la gravure est rendue difficile - 10 - 2588417 par la superposition de la couche (18) et du film (23) dans lesquels les vitesses d'attaque sont différentes. Une surexposition est nécessaire, qui amplifie l'effet de la composante latérale normalement faible de la gravure sous plasma réactif. Il en r6sulte un évasement différent dans le film et la couche et un profil en deux parties tronconiques coaxiales superposées. Comme illustré, la partie la plus évasée est relative au film (23) et met légèrement en surplomb les bords de la couche (18). A la figure 3E, la couche métallique supérieure (25) a été dépos6e de la même manière qu'à la figure 1. Le mode de réalisation de la figure 1 sera souvent préférable à celui de la figure 3E. En effet, le diélectrique (22) de la suspension (21) recuite s'avère ordinairement moins isolant que le diélectrique (18) déposé chimiquement et limite le rapprochement souhaité des conducteurs entre eux. En d'autres termes, l'exemple illustré dans les figures 3A-3E n'aboutit à l'obtention de fortes densités de conducteurs qu'en utilisant des suspensions spéciales plus coûteuses. D'autre part, on a vu que dans les ouvertures (24) de la figure 3D les bords du diélectrique (18) sont normalement en surplomb. Un phénomène analogue à celui représenté par le trait tiret& (20) sur la figure 2A se produira dans les ouvertures (24) lors du dépôt de la couche métallique supérieure (25). Un surplomb relativement prononcé peut même aboutir à une coupure ou à une mauvaise continuité de la couche (25) au niveau des ouvertures (24). Les ouvertures (24) dans le cas de la figure 3D doivent donc être gravées selon un procédé plus élaboré pour assurer une bonne qualité à la couche métallique supérieure (25). _ ll - 2588417 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. 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 1, caractérisé en ce que la suspension diélectrique est étalée sur la couche inférieure (15). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la suspension diélectrique est un gel à base de silice minérale, avantageusement sous forme colloidale. 5. 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.