Brevet FR2601500A1 — publié le 19880115

-- i -Procédé de liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés du réseau d'interconnexion d'un circuit intégré, et circuit intégré en résultant. L'invention se rapporte à un procédé de liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés du réseau d'interconnexion d'un circuit intégré, et au circuit intégré en résultant, appelé couramment chip ou puce. Un circuit intégré comprend essentiellement un substrat semiconducteur incorporant les composants électroniques et portant un réseau d'interconnexion de ces composants. Le 10 réseau d'interconnexion se compose couramment de plusieurs couches conductrices généralement isolées entre elles par des couches diélectriques et reliées entre elles en certains points par des piliers (vias) traversant les couches diélectriques. Chaque couche conductrice se 15 compose de nombreux conducteurs parallèles entre eux dans une direction orthogonale aux conducteurs d'une couche conductrice voisine. En pratique, les conducteurs sont ordinairement des bandes faites essentiellement en aluminium, mais on commence à utiliser d'autres matériaux 20 tels que le tungstène et des siliciures de titane ou de tantale, par exemple. L'invention concerne les circuits intégrés dans lesquels les bandes métalliques des conducteurs du réseau d'interconnexion sont pourvus de films supérieur et inférieur faits en un matériau dont la 25 température de fusion est sensiblement supérieure à celle du métal des bandes. Le titane-tungstène est actuellement employé pour ces films. Une couche isolante de passivation recouvre la couche conductrice supérieure. Le nitrure de silicium (Si3N4) remplit couramment cette fonction. La 30 couche de passivation sert généralement à protéger mécaniquement, chimiquement et électriquement les circuits intégrés sous-jacents. D'autre part, on essaie actuellement de procéder à des 35 liaisons programmables par laser de deux conducteurs 260 1 500 superposés du réseau d'interconnexion. Les liaisons sont programmées pour la reconfiguration d'un circuit à cause d'un défaut, ou pour la connexion d'un circuit de substitution à un circuit défaillant selon la technique dite de redondance des blocs fonctionnels d'une puce. L'invention concerne les procédés consistant à appliquer un faisceau laser perpendiculairement aux couches du réseau d'interconnexion du circuit intégré pour ménager 10 une ouverture dans la couche isolante, un conducteur supérieur, la couche diélectrique et au moins en partie le conducteur inférieur, et à former dans cette ouverture une liaison électrique des deux conducteurs. Un tel procédé connu de liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés est décrit notamment dans l'article de N. S. Platakis dans la revue "Journal of Applied Physics", Vol. 47, n 5, Mai 1976, pages 2120-2128. Au point de liaison souhaité, on applique un faisceau 20 laser dont la puissance, le diamètre, le nombre et la durée des impulsions sont déterminés de façon à ouvrir progressivement le conducteur supérieur, à éliminer par explosion la couche diélectrique, et à former un contact entre les deux conducteurs par éjection du matériau fondu 25 du conducteur inférieur jusqu'au niveau du conducteur supérieur. Les deux conducteurs sont donc connectés entre eux par les éjections solidifiées sur les parois d'un cratère, qui a ainsi la forme approximative d'un trou métallisé. Mais on comprend que les éjections 30 incontrôlables du matériau fondu du conducteur inférieur placé sous le faisceau laser dans des conditions identiques donnent des configurations différentes de la liaison des conducteurs dans chaque cratère. Il s'ensuit que les liaisons formées par ce procédé dans des 35 conditions identiques présentent différentes qualités de connexion électrique. La pratique confirme les défauts de répétitivité et de fiabilité de ce procédé. -3 Un autre procédé connu pour la liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés est décrit notamment dans l'article de J. I. Raffel et al., intitulé "Laser Programmed Vias for Restructurable VLSI" dans la 5 publication "Technical Digest of the International Electron Devices Meeting, 1980" pages 132-135. Ce procédé consiste à utiliser du silicium amorphe dans la couche diélectrique au niveau du point de liaison. L'emploi de silicium amorphe en des endroits prédéterminés de la 10 couche diélectrique a l'inconvénient de compliquer le procédé de fabrication du circuit intégré et d'interdire la programmation de toute liaison par laser en dehors de ces endroits. L'invention présente un procédé efficace et fiable pour la liaison programmable en tout point de croisement de deux conducteurs superposés pourvus des films précités et comportant une couche de passivation. Le procédé conforme à l'invention de liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés du réseau d'interconnexion d'un circuit intégré dans lequel les deux conducteurs sont séparés par une couche diélectrique et le conducteur supérieur est recouvert d'une couche isolante 25 de passivation, est du type consistant à appliquer un faisceau laser pour ménager une ouverture dans la couche isolante, le conducteur supérieur, la couche diélectrique et au moins en partie le conducteur inférieur, et à former dans cette ouverture une liaison des deux conducteurs, et 30 est caractérisé en ce que les deux conducteurs étant formés chacun d'une bande métallique pourvue de films supérieur et inférieur de matériau à température de fusion sensiblement supérieure à celle du métal de la bande, on détermine la puissance, le diamètre, le nombre et la durée 35 d'impulsion du faisceau laser pour produire, à partir des deux conducteurs dans l'ouverture, des bourrelets se réunissant entre eux pour former ladite liaison. -4 Un circuit intégré conforme à l'invention a un réseau d'interconnexion incluant au moins une ouverture programmée par laser pour la liaison de deux conducteurs superposés, séparés par une couche diélectrique, le 5 conducteur supérieur étant recouvert d'une couche isolante de passivation, et est caractérisé en ce que les deux conducteurs étant faits chacun d'une bande métallique pourvue de films supérieur et inférieur de matériau à température de fusion sensiblement supérieure s celle du 10 métal de la bande, la liaison est faite par la réunion de deux bourrelets formés dans l'ouverture à partir des conducteurs respectifs. Les caractéristiques et avantages de l'invention 15 ressortiront de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés. Dans les dessins: - la figure lA est une vue en coupe partielle d'un circuit intégré, auquel s'applique le procédé conforme à l'invention; les figure lB et lC sont des vues du circuit intégré 25 représenté sur la figure 1, illustrant respectivement deux étapes du procédé conforme à l'invention; et - la figure 2 est un diagramme illustrant une façon de déterminer les paramètres du faisceau laser pour 30 l'exécution du procédé conforme à l'invention. * La figure lA est une vue en coupe partielle d'un circuit intégré (10) auquel s'applique le procédé conforme A l'invention. Le circuit intégré (10) comprend essentiellement un substrat semiconducteur (11) dont une face incorpore les composants électroniques (12), et un réseau d'interconnexion (13) des composants (12). Le réseau d'interconnexion (13) se compose de conducteurs répartis en au moins deux couches conductrices (14, 15') superposées, isolées entre elles par une couche 5 diélectrique (16) et s'étendant au-dessus du substrat (11) par l'intermédiaire d'une couche d'isolation (17). Les conducteurs d'une même couche sont parallèles entre eux dans une direction perpendiculaire aux conducteurs d'une couche voisine. La coupe illustrée dans la figure 1A est 10 faite suivant la direction des conducteurs inférieurs (14) et coupe transversalement les conducteurs supérieurs (15). Pour être concernés par l'invention, les conducteurs des deux couches (14, 15) sont formés chacun d'une bande 15 métallique (18) pourvue de films supérieur (19) et inférieur (20) de matériau à température de fusion sensiblement supérieure à celle du métal de la bande (18). Tous les conducteurs (15) de la couche conductrice supérieure sont recouverts d'une couche isolante de 20 passivation (21), par exemple en nitrure de silicium (Si3N4). Dans la pratique par exemple, les bandes métalliques (18) sont essentiellement faites en aluminium selon une 25 épaisseur de l'ordre de 500 à 800 nanomètres (800 nm) et les films (19, 20) sont en titane-tungstène selon une épaisseur sensiblement inférieure à celle des bandes (18), de l'ordre de 10 nm à 150 nm. Les couches isolantes (16, 17) ont aussi typiquement une épaisseur de l'ordre de 800 30 nm et sont faites ordinairement de dioxyde de silicium (SiO2). Dans le cas particulier ayant servi à la mise en oeuvre de l'invention, les bandes métalliques sont en aluminium, 35 allié à 4 % de cuivre et à 1 % de silicium. Quant aux épaisseurs, les bandes (18) des conducteurs de la couche -6 inférieure (14) font 500 nm et les bandes (18) des conducteurs de la couche supérieure (15) font 650 nm; les films supérieurs (19) font 30 nm, et les films inférieurs (20) font 100 nm; enfin la couche d'isolation (17) et la 5 couche de passivation (21) font chacune 800 nm et la couche diélectrique (16) fait 730 nm. D'autre part, les conducteurs inférieurs (14) ont une largeur de 60 micromètres (um), tandis que celle des conducteurs supérieurs (15) est de 107 um. 10 Les figures lB et 1C représentent un exemple d'exécution du procédé conforme à l'invention. A la figure lB, on applique un faisceau laser -(22) dont la puissance, le diamètre et la durée d'action sont déterminés pour ménager 15 une ouverture (23) dans la couche de passivation (21) et le conducteur supérieur (15). D'une manière générale, il suffit d'ouvrir au moins en partie le conducteur supérieur (15). A la figure 1C, on a appliqué une seconde impulsion de faisceau laser (22-) dont la puissance, le diamètre et 20 la durée d'action sont réglés de manière à ménager une ouverture (24) à travers la couche diélectrique (16) et le conducteur inférieur (14) , et à former dans l'ouverture (24), à partir de deux conducteurs (14, 15) , deux bourrelets respectifs (25) se réunissant pour former la 25 liaison souhaitée (26). D'une manière générale, il suffit également d'ouvrir au moins en partie le conducteur inférieur (14). Avec un circuit intégré (10) dont les caractéristiques ont 30 été mentionnées ci-dessus et avec un faisceau laser (22) de 5 unm de diamètre, l'expérience a montré que la puissance et la durée à donner à chacune des deux impulsions est indiquée dans le diagramme de la figure 2. Dans cette figure, l'axe des abscisses porte le temps t, 35 mesuré en secondes et établi selon une échelle logarithmique, représentatif de la durée d'une impulsion, et l'axe des ordonnées porte la puissance P en Watts du faisceau, mesurée juste au-dessus de la couche de passivation (21) et exprimée selon une échelle linéaire. Le domaine (27) propice à la mise en oeuvre du procédé est 5 celui hachuré dans le graphe. Il apparaît que chacune des deux impulsions doit avoir approximativement une durée minimale tl = 50 microsecondes et une durée maximale t2 = 0,2 milliseconde, une puissance minimale P1 = 1 Watt et une puissance maximale P2 = 2,5 Watts. 10 Ces valeurs ont été déterminées de la façon suivante. La puissance minimale P1 s'impose pour rendre possibles les réactions chimiques nécessaires à l'obtention de la liaison (26). La durée minimale tl est le temps nécessaire 15 pour produire ces réactions. Au-delà de la durée t2, on observe des réactions indésirables pour obtenir une bonne qualité de la liaison. Au delà de la puissance P2, on constate sous la liaison (26) une altération de l'isolation électrique procurée par la couche (17). 20 Bien que l'exemple ait mis en oeuvre deux impulsions, il s'avère qu'un nombre différent peut offrir une liaison conforme à l'invention (26) efficace et fiable. L'expérience prouve qu'une impulsion peut suffire, mais le 25 domaine puissance-durée d'application de l'impulsion s'avère plus petit que le domaine (27) représenté sur la figure 2. On comprend en effet que cette impulsion doit satisfaire à toutes les conditions requises pour la formation de la liaison (26), alors que dans l'exemple 30 précédent chacune des deux impulsions n'avait qu'à satisfaire certaines de ces conditions. L'emploi des deux impulsions offre donc l'avantage d'assurer une liaison efficace grâce à un domaine d'application (27) plus large. Au-delà de trois impulsions, on constate une altération de 35 la couche d'isolation (17), due au cumul des énergies des impulsions du faisceau. L'exemple choisi est donc le mode -8 préféré de mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. D'une manière générale, il résulte des expériences faites 5 jusqu'à présent que le procédé conforme à l'invention est obtenu de manière satisfaisante en déterminant la puissance minimale P1 d'une impulsion de faisceau (22) de façon à produire les réactions chimiques désirées en vue de l'obtention de la liaison (26), la durée minimale tl 10 faisant apparaître ces réactions et la durée maximale t2 prévenant les réactions chimiques indésirables, et en déterminant le nombre d'impulsions et la puissance maximale de chaque impulsion de façon à ne pas altérer la couche d'isolation (17) sous la liaison (26). 15 En résumé, l'invention offre l'avantage d'utiliser un laser de faible puissance et d'obtenir simplement une liaison fiable de bonne qualité. Un autre avantage est de se faire en présence de la couche de passivation (21). Il 20 s'avère même qu'elle joue un rôle très important pour la formation de la liaison. On pense que ce rôle consiste dans le renforcement de la tension superficielle des conducteurs supérieurs (15) et contribue ainsi à la formation des bourrelets (25). - 9- 2601500 Revendications 1. Procédé de liaison programmable par laser de deux conducteurs superposés (14, 15) du réseau d'interconnexion (13) d'un circuit intégré (10) dans lequel les deux conducteurs sont séparés par une couche diélectrique (16) 5 et le conducteur supérieur (15) est recouvert d'une couche isolante de passivation (21), du type consistant à appliquer un faisceau laser (22) pour ménager une ouverture (24) dans la couche isolante (21), le conducteur supérieur (15), la couche diélectrique (16) et au moins en 10 partie le conducteur inférieur (14) et à former dans cette ouverture une liaison (26) des deux conducteurs, caractérisé en ce que les deux conducteurs étant formés chacun d'une bande métallique (18) pourvue de films supérieur et inférieur (19, 20) de matériau -à température 15 de fusion sensiblement supérieure à celle du métal de la bande, on détermine la puissance, le diamètre, le nombre et la durée d'impulsion du faisceau laser pour produire, à partir des deux conducteurs (14, 15) dans l'ouverture - (24), des bourrelets (25) se réunissant entre eux pour 20 former la liaison (26). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer une première impulsion du faisceau laser pour ménager une ouverture (23) dans la 25 couche isolante (21) et au moins en partie le conducteur supérieur (15), puis à appliquer une seconde impulsion pour former l'ouverture (24) et la liaison (26). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en 30 ce que la puissance minimale Pl d'une impulsion du faisceau laser est déterminée de façon à produire les réactions chimiques désirées en vue de l'obtention de la liaison (26), la durée minimale (tl) de l'impulsion étant celle nécessaire pour l'apparition de ces réactions et la 35 durée maximale (t2) prévenant les réactions chimiques indésirables, et en ce que le nombre d'impulsions et la - 10 puissance maximale de chaque impulsion sont déterminés de façon à ne pas altérer la couche d'isolation (17) sous la liaison (26). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 a 3, caract6risé en ce que le métal de la bande (18) des conducteurs (14, 15) est essentiellement de l'aluminium. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, 10 caractérisé en ce que les films sont en titane-tungstène. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la couche isolante comprend du nitrure de silicium (Si3N4). 7. Circuit intégré (10) dont le réseau d'interconnexion (13) inclut au moins une ouverture (24) programmée par laser pour la liaison de deux conducteurs superposés (14, 15), séparés par une couche diélectrique (16), le 20 conducteur supérieur (15) étant recouvert d'une couche de passivation (21), caractérisé en ce que les deux conducteurs étant faits chacun d'une bande métallique (18)pourvue de films supérieur et inférieur (19, 20) de matériau à température de fusion sensiblement supérieure a 25 celle du métal de la bande, la liaison (26) est faite par la réunion de deux bourrelets (25) formés dans l'ouverture (24) à partir des conducteurs respectifs (14, 15). 8. Circuit intégré selon la revendication 7, caractérisé 30 en ce que le métal de la bande (18) des conducteur (14, ) est essentiellement de l'aluminium. 9. Circuit intégré selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les films sont en titane-tungstène. 35 10. Circuit intégré selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la couche isolante comprend du nitrure de silicium (Si3N4).