Brevet FR2590408A1 — publié le 19870522

La présente invention concerne dans ses grandes lignes un procédé pour écrire directement des lignes en métal réfractaire, de la taille du micromètre, sur une surface en silicium à une vitesse de plusieurs centimètres/seconde. Plus particulièrement, elle est relative à un dépôt en phase gazeuse provoqué par un faisceau laser de tungstène sur des surfaces en silicium. Le procédé de la présente invention est particulièrement utile comme processus ultérieur de formation de lignes d'interconnexion conductrices dans des circuits intégrés. Dans la fabrication des circuits intégrés à grande échelle et à très grande échelle, il est souvent souhaitable de pouvoir réaliser des connexions électriques à discrétion entre diverses parties du substrat. Il existe plusieurs raisons pour exécuter cette opération. Par exemple, dans les réseaux de portes, on effectue généralement la personnalisation en découpant des lignes d'interconnexion. Cela peut se faire avec un laser focalisé ou électriquement en faisant passer un courant suffisamment intense dans une liaison fusible. Cependant, il serait également souhaitable d'être en mesure de personnaliser des réseaux de portes, etc., par la formation de liaisons conductrices au lieu de les couper. D'une manière identique, dans la fabrication des dispositifs de visualisation à cristaux liquides, des problèmes de rendement peuvent se poser, en particulier dans le cas des dispositifs de visualisation qui ont de grandes dimensions et/ou sont adressés par matrice. Les défauts survenant dans de tels dispositifs prennent souvent la forme de connexions ouvertes dans les lignes de grilles ou les lignes de données. Dans des cas de cette nature, l'ensemble des lignes du dispositif de visualisation peut être rendu non-fonctionnel. Plus généralement, les lignes conductrices qui présentent des profils en gradins car elles croisent d'autres lignes, sont particulièrement sensibles aux défauts dus aux circuits ouverts. On voit par conséquent que dans certains cas il serait extrêmement souhaitable de disposer d'interconnexions conductrices personnalisées qui pontent la connexion de circuits rompus ou dégradés. D'une façon identique, dans la fabrication des puces de circuits intégrés à très grande échelle, les rendements de production ne sont pas toujours aussi élevés qu'on le souhaiterait. Certains défauts se produisant dans un tel processus peuvent être corrigés par l'inclusion de lignes de connexion métalliques de la taille du micromètre qu'on ajoute d'une façon personnalisée de manière à corriger les défauts découverts, en particulier les circuits ouverts.En bref, l'intérêt porté à une écriture directe de structures métalliques en utilisant des dispositifs tels que des faisceaux laser a été entraîné par l'impulsion donnée à l'obtention d'interconnexions à discrétion dans les circuits à intégration à très grande échelle et les activités de conditionnement. D'autres applications concernent la correction des défauts des pastilles ou des masques, l'amélioration des rendements, le masquage localisé, et le revêtement, ainsi que la fabrication de circuits personnalisés. Ehrlich et Tsao ont annoncé la fabrication de structures en polysilicium ayant des dimensions de l'ordre du sous-micron au moyen d'un procédé pyrolytique employant la vapeur de SiC14 et la vapeur d'hydrogène à l'aide d'un laser à l'argon. On se reportera a ce sujet à la revue "Applied Physics Letters", Volume 44, page 267 (1984). Des recherches faites dans d'autres directions ont fait appel à des systèmes de dépôt thermique par vapeur chimique dans lesquels on utilise de l'hydrogène pour former des pellicules de tungstène conformément à la réaction de réduction suivante WF6 + 3H2 + 6HF (1) Le mécanisme de la réduction de l'hexafluorure de tungstène (WF6) en présence d'hydrogène a fait l'objet d'études poussées. On se reportera à l'article de J.B. Berkeley, A. Brenner, et W.E. Reed dans la revue "Journal of Electrochemical Society", Volume 114, page 701 (1967). On se reportera également à l'article de W.A. Bryant dans la revue Journal of Electrochemical Society", Volume 125, page 1534 (1978). Dans ces études, on a employé l'hydrogène comme gaz pour la réduction de l'hexafluorure de tungstène. Cependant, l'utilisation de l'hydrogène comme atmosphère réductrice soulève certains inconvénients dans l'écriture directe, provoquée par laser, de lignes en métal réfractaire sur des surfaces de silicium. Par exemple, comme une réaction en phase gazeuse est impliquée dans la cinétique de la réaction, la résolution peut être limitée aux vitesses d'écriture ôle- vées. Alors qu'on ne saisit pas bien les raisons précises de tous les phénomènes de réaction se produisant dans les réactions de réduction à l'hydrogène de ce type, on pense généralement que la participation de l'hydrogène à la réaction au lieu d'une participation superficielle directe est un facteur contribuant à la limitation de la résolution.En outre, l'utilisation de la réduction à l'hydrogène avec des lasers ne se traduit généralement pas par la formation de lignes métalliques avec une morphologie de la surface aussi régulière que celle obtenue- lorsqu'on emploie seulement des réactions de réduction en surface. Selon un mode de réalisation préféré de la pré- sente invention, un procédé pour le dépôt d'un métal réfrac taire sur une suface en silicium comprend l'étape consistant à disposer la surface en silicium dans une atmosphère comprenant un composé gazeux de métal réfractaire tel que l'hexafluorure de tungstène. On chauffe alors dans cette atmosphère la surface en silicium avec un faisceau focalisé de rayonnement électromagnétique tel qu'un laser. Le chauffage se produit suivant un trajet prescrit à une température qui est suffisante pour chauffer la surface et amorcer une réaction de réduction superficielle dans laquelle le métal réfractaire est réduit et déposé sur la surface en silicium ou à la place de celle-ci.Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, on dépose des lignes régulières de tungstène de quelques centimètres de long et avec une largeur des lignes comprise entre environ 2 et environ 15 micromètres sur une surface en silicium en utilisant un laser à l'argon ayant une puissance d'environ 50 milliwatts et avec des dimensions du spot focalisé d'environ 20 micromètres (pleine largeur, demi-maximum). On remarquera que le dépôt de la présente invention peut s'effectuer sur une surface de silicium amorphe, cristallin, polycristallin. Le traitement est de préférence effectué dans une chambre sous vide avec une pression partielle gazeuse de WF6 comprise entre 130 Pa et 13 kPa avec de l'argon comme gaz 2 tampon à une pression partielle d'environ 10 kPa. La couche de métal réfractaire déposé a une épaisseur comprise typiquement entre environ 10 et 100 nm. Dans le procédé de la présente invention, la surface même du silicium agit en agent réducteur pour le gaz contenant du métal.Par exemple, l'utilisation d'hexafluorure de tungstène produit la réaction chimique suivante 2 WF6 + 3 Si --2 W + 3SiF4 (2) Dans les procédés de dépôt en phase gazeuse provo qué par faisceau laser, la réaction se produit typiquement pendant une durée comprise entre quelques secondes et un laps de temps aussi court que quelques millisecondes, ce temps étant fonction de la vitesse de balayage et des dimensions du spot du faiseau laser. On peut commander les conditions de dépôt en faisant varier la puissance du laser, la vitesse de balayage et la pression du gaz. Par conséquent, la présente invention a pour obje#t un procédé d'écriture directe de lignes en métal réfractaire sur des surfaces en silicium. La présente invention a pour autre objet un procédé pour former à discrétion et de manière personnalisée des lignes métalliques d'interconnexion sur des puces de circuits électriques. La présente invention a aussi pour objet un procédé pour augmenter le rendement de divers processus de fabrication de semi-conducteurs, dont la production de puces de circuits en semi-conducteurs à intégration à très grande échelle et de dispositifs de visualisation à cristaux liquides. La présente invention a pour autre objet un procédé de formation d'interconnexions dans des opérations de conditionnement de circuits électroniques. La présente invention a encore pour autre objet un procédé pour corriger des masques de puces en semi-conducteurs. Enfin, mais sans que cela soit limitatif, la présente invention a pour objet un moyen pour corriger les défauts d'une tranche ou d'un masque de puce et une faqon d'améliorer le rendement des processus de fabrication des semi-conducteurs. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement Figure 1A, une vue en coupe, en élévation de côté, d'une paire de structures métalliques sur un substrat, qui doivent être reliées électriquement par un matériau conducteur selon le procédé de la présente invention figure 1B, une vue en coupe, en élévation de côté, du substrat de la figure 1A dans lequel on a ajouté une couche de polysilicium ou de silicium amorphe figure 1C, une vue en coupe, en élévation de côté, du substrat de la figure 1B pendant son traitement en conformité avec le procédé de la présente invention au moyen d'un faisceau de rayonnement électromagnétique focalisé se déplaçant de la gauche vers la droite entre le point A et le point B figure 1D, le procédé de la présente invention comme dans le cas de la figure 1C, mais avec le faisceau focalisé ayant parcouru la distance désirée entre lignes d'écriture ; figure 1E, une vue en coupe, en élévation de côté, de la structure d'interconnexion formée en figure 1D par le procédé de la présente invention, opération qui est suivie de l'élimination de la couche 15, par exemple par une attaque sélective. Lorsqu'on fait appel à la microchimie, induite par laser, pour le traitement de matériaux électroniques et la fabrication de dispositifs électroniques, il existe fondamentalement deux approches, à savoir : le dépôt provoqué par des réactions pyrolytiques ou photolytiques qui sont effectuées directement par le rayonnement laser et le dépôt obtenu lorsqu'on modifie par un rayonnement laser un état de surface. Les procédés de la seconde catégorie comprennent, par exemple, la modification des réactions catalytiques ou des barrières de nucléation par un rayonnement afin de renforcer ou d'inhiber la croissance ultérieure de pellicules. Le procédé décrit dans la présente demande est axé sur l'utilisation des réactions de pyrolyse provoquées par un rayonnement électromagnétique focalisé, en particulier celles obtenues par l'énergie d'un laser.Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé emploie une réaction de réduction de l'hexafluorure de tungstène par une surface en silicium provoquée par un chauffage localisé dû à un faisceau laser focalisé. Les dimensions du spot du faisceau laser sont typiquement comprises entre environ 10 et environ 20 micromètres en matière de largeur. Comme les procédés pyrolitiques de ce type dépendent beaucoup de la température locale, la vitesse de la réaction est fortement influencée par des conditions de température non-linéaires telles que celles produites par un faisceau laser focalisé. Par exemple, si le profil de température dû à un faisceau incident est Gaussien, on peut voir que la largeur réelle de la ligne tracée est sensiblement inférieure au profil lui-même du faisceau.Par exemple, le profil de la température dû à un faisceau Gaussien peut correspondre à l'équation suivante 22 I(r) = 10 exp(-0,5 r /rO), (3) dans laquelle ro est une largeur caractéristique. o Comme la vitesse de réaction dépend de la température qui est hautement non-linéaire, on peut produire des largeurs de ligne bien inférieures à r micromètres. o Une autre propriété intéressante qu'on observe dans un procédé microchimique, provoqué par des sources de chaleur de la dimension du micromètre, est l'amélioration du flux disponible pour la réaction. La vitesse de réaction dans une réaction hétérogène à une interface gaz-solide est généralement limitée soit par la diffusion des composés réactifs et/ou la diffusion des produits, soit par les vitesses de réaction sur la surface du solide. Le flux des composés réactifs canalisé dans la zone de réaction augmente aux Pressions élevées alors que les dimensions d'une zone de réaction diminuent jusqu'à une faible valeur par comparaison aux distances de diffusion du gaz. D'autre part, dans le cas d'une surface étendue chauffée, le flux de réaction à haute pression est généralement limité par la diffusion de la phase gazeuse.Selon des considérations à l'échelle géométrique, les vitesses nettes de réaction dans un processus microchimique provoqué par un faisceau laser focalisé peu vent être plus rapides de quelques ordres de grandeur que celles observées dans un cas présentant une diffusion limitée, par exemple dans un four. Par exemple, un flux de réaction de 1 x 1021 cm .sec est disponible à une pression de 13 kPa pour un faisceau Gaussien focalisé de 10 micromètres. Le flux de réaction tombe a une valeur de 1 x 1019 -l 1019 cm sec pour un faisceau Gaussien d'un mili- mètre de diamètre. On voit par conséquent que le procédé de la présente invention peut fournir des vitesses rapides d'écriture de lignes de l'ordre de plusieurs centimètres par seconde.De tels paramètres jouent un rôle important lorsqu'il s'agit du rendement d'une fabrication en série. On portera maintenant une attention plus particulière aux figures lA-lE, dans lesquelles on a illustré un mode de réalisation de la présente invention. Plus particu lièrement, la figure 1A illustre des îles métalliques ou bandes conductrices 11 et 12 qui doivent être reliées par un conducteur en métal réfractaire. Les trajets métalliques 11 et 12 existent typiquement en tant que partie d'un motif de métallisation formé sur une puce de circuits intégrés ou dispositif similaire qui est génériquement illustré par un substrat 10. Alors qu'on a représenté les éléments conducteurs 1 et 12 comme situés dans le même plan, il est important de noter que, dans le cadre de la présente invention, le présent procédé n'est pas limité à ce cas. Dans un mode de réalisation de la présente invention, une couche de silicium 15 est déposée sur la structure représentée en figure 1A. Le silicium 15 peut être du silicium cristallin, polycristallin, ou du silicium amorphe. Cependant, étant donné qu'il est généralement souhaitable d'utiliser des températues de procédé de faible valeur, la couche 15 est typiquement constituée de silicium amorphe ou de polysilicium plutôt que de silicium cristallin, lequel est généralement associé à des procédés de traitement aux températures plus élevées. En figure 1C, on a plus particulièrement illustré un mode de réalisation du procédé de la présente invention, dans lequel on peut voir qu'un faisceau 18 de rayonnement focalisé se déplace entre des points A et B. Ce faisceau laser provoque un chauffage localisé de la couche 15. Comme le chauffage a lieu dans une ambiance comprenant un composé réactif gazeux d'un métal réfractaire, le silicium chauffé dans la couche 15 réagit conformément à l'équation (2) pour transformer une partie de la couche de silicium, le long de la ligne parcourue, en tungstène tout en formant simultanément du tétrafluorure de silicium gazeux. On remarquera également qu'on peut utiliser d'une façon similaire de l'hexafluorure de molybdène pour déposer du molybdène.La figure 1C montre également que le matériau 16 à gauche du faisceau laser 18 a été transformé en conformité avec le procédé de la présente invention et que le matériau 17 à droite du faisceau laser, mais à gauche du point B reste à traiter. On procédera maintenant à la description d'exemples de modes de réalisation de la présente invention. La figure 1D illustre l'état du substrat à la fin de l'étape d'écriture par laser. On peut alors enlever le silicium amorphe non transformé en procédant, par exemple, à une attaque, par exemple dans une solution de KOH. Le résultat obtenu est représenté en figure lE. On a déposé de fines lignes de tungstène de la taille du micromètre, avec une largeur minimum de ligne de 1 micromètre, à une vitesse de plusieurs centimètres par seconde sur des surfaces en silicium cristallin qu'on balayait avec un faisceau laser à l'argon focalisé ayant un diamètre du spot d'environ 20 micromètres sous une puissance d'environ 5 watts dans une chambre de réaction contenant de l'hexafluorure de tunsgtène à une pression partielle de 6,5 kPa et un gaz tampon inerte à l'argon à une pression partielle d'environ 102 kPa. On a mesuré la résistivité des lignes déposées et trouvé une valeur inférieure à 1 milliohm/centimètre. Dans un autre exemple du procédé de la présente invention, on a déposé une pellicule de tungstène ayant une épaisseur supérieure a environ 100 nanomètres sur une couche de silicium amorphesslaquelle fut déposée, à son tour, sur un substrat en bioxyde de silicium dans une chambre de réaction contenant de l'hexafluorure de tungstène à une pression partielle de 6,5 kPa et de l'argon gazeux à une pression partielle de 102 kPa. A cet effet, on peut employer des lasers à ondes entretenues, des lasers à grenat yttrium-aluminium et des lasers à grenat yttrium-aluminiumn pulsés, doublés en fréquence. On remarquera que dans la présente invention, il est généralement souhaitable de chauffer la surface en silicium à une temérature comprise entre environ 3500C et 550 C. On remarquera également qu'il y a lieu d'éviter les températures anormalement élevées à cause de la tendance-à la formation de siliciure de tungstène. On remarquera aussi que, alors qu'on emploie de préférence des faisceaux laser pour provoquer un chauffage localisé, on peut utiliser aussi d'autres sources d'énergie rayonnante pouvant etre focalisée. On notera aussi que le procédé de la présente invention permet une vitesse de balayage plus rapide. D'après ce qui précède, on remarquera que le procédé de la présente invenion permet d'obtenir une écriture directe de lignes en métal réfractaire de la taille du micromètre sur des surfaces en silicium à une vitesse relativement élevée. On voit aussi que la présente invention présente une résolution élevée et tire profit de la dépendance non-linéaire vis-à-vis de la température des vitesses de réaction chimique pour obtenir des lignes étroites. On notera aussi que le procédé de la présente invention fournit un mécanisme pour l'écriture de lignes fines ayant une résistivité électrique appropriée sans qu'il y ait contami nation par des impuretés diverses. On verra aussi que la présente invention permet la formation de lignes conductrices même dans des zones où la présence de différences dues à des gradins dans des circuits intégrés est une nécessité. On remarque aussi que le procédé de la présente invention satisfait les objectifs exposés ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé pour le dépôt d'un métal réfractaire sur une surface en silicium, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : disposer la surface en silicium (15) dans une ambiance contenant au moins un composé de métal réfractaire gazeux, ce composé pouvant etre réduit par le silicium ; et chauffer la surface en silicium dans l'ambiance avec un faisceau focalisé de rayonnement électromagnétique (18) suivant un trajet prescrit, à une température suffisante pour amorcer la réduction de la surface dans laquelle le métal réfractaire est réduit et déposé à la place d'au moins une partie du silicium de la surface. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface en silicium (15) est choisie dans le groupe constitué du silicium cristallin, du silicium polycristallin, et du silicium amorphe. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est effectué avec un faisceau laser focalisé (18). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau laser (18) est produit par un laser a'- grenat yttrium-aluminium. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le faisceau laser est focalisé suivant un spot d'environ 20 micromètres de diamètre. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé de métal réfractaire gazeux est choisi dans le groupe constitué de l'hexafluorure de tungstène et de l'hexafluorure de molybdène. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé de métal réfractaire gazeux est présent à une pression partielle comprise entre environ 130 Pa et environ 13 kPa. 8.Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le composé de métal réfractaire gazeux est présent à une pression partielle d'environ 13 kPa. 9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe la surface en silicium à une température comprise entre environ 3500C et 550 C. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est insuffisante pour amorcer la formation de siliciures de métaux réfractaires. 11. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que l'ambiance dans laquelle on dispose la surface en silicium comporte également un gaz tampon inerte. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le gaz tampon comprend de l'argon. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'argon est présent à une pression partielle dssen- viron 102 kPa. 14. Procédé pour connecter électriquement des conducteurs électriques disposés sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à disposer une couche de silicium (15) sur le substrat (10) et les conducteurs (11, 12) disposer le substrat revêtu dans une ambiance comprenant au moins un composé de métal réfractaire gazeux ; et chauffer la surface en silicium dans l'ambiance avec un faisceau focalisé de rayonnement électromagnétique (18) suivant un trajet prescrit entre les conducteurs, cette étape de chauffage étant suffisante pour élever la température de la surface en silicium afin de provoquer l'amorçage d'une réduction de la surface au cours de laquelle le métal réfractaire est réduit et déposé de façon à former un trajet conducteur entre les conducteurs. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à enlever le silicium n'ayant pas réagi de la couche en silicium (15).