Brevet FR2629839A1 — publié le 19891013

PROCÉDÉ DE DÉPÔT DE METAUX RÉFRACTAIRES La présente invention concerne un procédé de dépôt de métaux réfractaires permettant d'obtenir une adhérence sur des isolants (notamment de l'oxyde de silicium) et des semiconducteurs. La présente invention trouve des applications dans le revêtement métallique de verres et, dans le domaine des circuits intégrés, pour la réalisation de couches de métallisation et/ou de contact. L'amélioration des performances (vitesse de commutation) et de la densité d'intégration des circuits intégrés nécessite la mise au point de nouvelles technologies de métallisation consistant notamment à disposer les lignes d'interconnexion sur plusieurs niveaux successifs isolés par des couches de diélectriques intermétalliques à base de verres de silice.L'utilisation de l'aluminium ou d'alliages d'aluminium (matériaux à bas point de fusion) dans ces dispositifs avec métallisations multiniveaux présente un certain nombre d'inconvénients liés par exemple, (1) au phénomène d'électromigration qui entraine la rupture de lignes de faibles dimensions et un manque de fiabilité, (2) à la formation d'une couche superficielle d'alumine très stable qui ne permet pas d'obtenir un bon contact électrique entre deux niveaux métalliques successifs, (3) à la dissolution du silicium dans l'aluminium dans les zones de contact source et drain des transistors NOS et à la formation de pointes (spikes) qui provoquent le perçage des jonctions fines. Actuellement, on envisage d'utiliser des métaux réfractaires pour realiser les lignes d'interconnexion dans les circuits intégrés à haute densité d'intégration ; ces matériaux sont beaucoup moins sensibles aux phénomènes de diffusion que les métaux légers. Les couches métalliques doivent être déposées à basse température par un procédé fournissant des couches avec un recou vrement de marches conforme et une faible résistivité. La technique de dépôt la mieux adaptée aux applications envisagées est le procédé de dépôt par réaction chimique en phase gazeuse (CVD). Certains métaux réfractaires peuvent être obtenus à basse température et avec une faible résistivité en réduisant un halogénure métallique volatil par l'hydrogène. L'utilisation d'halogénures gazeux ou ayant une tension de vapeur suffisamment élevée à la température ambiante est souhaitable ou même nécessaire pour des raisons de facilité de mise en oeuvre et d'adaptabilité du procédé de dépôt aux contraintes liées à la production industrielle des circuits intégrés. Quatre métaux réfractaires (W, Mo, Re et Ir) sont susceptibles d'être déposés en réduisant par l'hydrogène l'hexaflu- orure correspondant gazeux. On considérera ici à titre d'exemple le tungstène. La germination sur les verres de silice du tungstène formé par réduction de WF6 par H2 est très lente et, par conséquent, le métal se dépose difficilement sur ces matériaux ; de plus, l'adhérence des couches métalliques obtenues est médiocre. L'une des solutions à ce problème consiste à irradier le mélange gazeux (WF6 - H2) par un faisceau laser excimère pulsé (ArF, longueur d'onde 193 nm) parallèle à la surface de l'oxyde (la distance entre la surface et le faisceau pouvant varier entre 1 et 10 mm). Le tungstène se dépose sur le substrat porté è 400 C. Cette technique a donné des résultats positifs ; cependant, elle ne permet pas de déposer sur de très grandes surfaces et nécessite un appareillage complexe (laser excimère). Une autre solution à ce problème consiste à recouvrir l'oxyde diélectrique intermétallique par une couche d'accrochage avant de déposer le tungstène par le procédé CVD. Pour limiter le nombre d'étapes technologiques et pour simplifier autant que possible les procédés, cette couche d'accrochage doit être déposée sur l'oxyde après ouverture des trous de contact dans l'oxyde, c'est-à-dire que le matériau déposé doit être conducteur. Il est possible de déposer du tungstène comme couche d'accrochage soit par pulvérisation cathodique ou évaporation sous vide, soit par décomposition thermique du tungstène hexacarbonyle.Le dépôt par un procédé physique (évaporation ou pulvérisation) est réalisé dans un équipement spécifique, différent de l'équipement CVD pour dépôt du tungstène à partir de mélanges WF6 - l!2, ctest-à-dire qu'il est nécessaire de transférer les plaques de l'équipement de dépôt de la couche d'accrochage vers l'équipement de dépôt CVD du tungstène. Le dépôt de tungstène par décomposition thermique de W(CO)6 peut être réalisé "in situ" dans l'équipement CVD ; cependant, le tungstène hexacarbonyle est un solide à température ambiante. Les vapeurs de W(CO)6 obtenues par sublimation du solide, se condensent sur les parois froides du réacteur ce qui entraine une pollution du réacteur par des particules solides de W(CO)6 toxique.La formation de particules doit être évitée pour ne pas affecter le rendement de production des circuits intégrés à haute densité d'intégration. La couche d'accrochage peut être constituée d'un siliciure de tungstène riche en silicium (pour adhérer au verre) qui est déposé immédiatement avant la couche de tungstène par réaction entre WF6 et le silane, SiH4, dans un réacteur è paroi froide (mono ou multiplaques). L'intérêt de ce procédé est de réduire le nombre d'équipements nécessaires (la couche d'accrochage étant déposée "in situ"). L'inconvénient majeur est lié à la résistivité relativement élevée de cette couche d'accrochage riche en silicium entrainant de fortes résistances de contact (supérieures à celles d'un contact d'alliage Al-Si sur silicium fortement dopé). L'invention a pour objet d'améliorer le procédé de dépôt sur verres de silice du tungstène ou d'un autre métal réfractaire (Mo, Re et Ir) obtenu par réduction de l'hexafluorure métallique NF6 (avec M = W, Mo, Re ou Ir) par l'hydrogène, à basse température. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet de prévoir un procédé et un dispositif de dépôt d'un métal réfractaire dans lequel une, couche d'accrochage est déposée dans le réacteur qui sert ensuite au dépôt CVD par réduction de WF6 par l'hydrogène sans nécessité de transfert de l'échantillon. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un procédé de dépôt d'un métal réfractaire sur un substrat par réduction d'un hexafluorure du métal réfractaire par de l'hydrogène dans un réacteur approprié, comprenant l'étape initiale consistant, pour déposer une couche d'accrochage, è effectuer cette réduction en présence d'un fil incandescent dudit métal réfractaire disposé au voisinage du substrat. La présente invention concerne également un réacteur incorporant un fil chauffant et des moyens pour l'alimenter. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particulier faite en relation avec la figure jointe qui représente de façon extrêmement schématique un réacteur modifié selon la présente invention. Selon la présente invention, on utilise comme réacteur, un réacteur 1 classique de dépôt par réaction chimique en phase vapeur (réacteur CVD) à paroi froide dans lequel le substrat 2 est adossé à un porte-substrat 3. Ce réacteur comprend en outre des entrées de gaz réactifs 4 et 5 et des sorties de pompage 6 et 7. Un tel réacteur est disponible commercialement, par exemple auprès de la société VARIAN sous l'appelation modèle 5201". Ce réacteur peut comprendre également des moyens pour introduire automatiquement le substrat à partir d'un sas d'accès. Le porte-substrat 3 peut être en nickel et le substrat peut être chauffé par conduction ou bien peut être en quartz le substrat étant alors chauffé directement par un rayonnement infrarouge. La température du substrat est généralement maintenue à une valeur constante comprise entre 200 et 750du. Selon la présente invention, il est adjoint à un tel réacteur classique un filament chauffant de tungstène 10 alimenté par des bornes 11 et 12. Ce filament est disposé au voisinage (quelques mm ou quelques cm) du substrat 2 et a par exemple une forme annulaire pour ne pas gêner la circulation des gaz au voisinage du substrat. Ce filament peut être chauffé par effet Joule à une température allant de 1500 à 20000C. Selon la présente invention, pendant la durée où l'on veut déposer la couche d'accrochage, le filament est chauffé. Ensuite, pendant le dépôt normal de tungstène, on procède classiquement sans faire fonctionner le filament. Pendant le dépôt de la couche d'accrochage, une première couche de tungstène est déposée en utilisant de l'hexafluorure de tungstène gazeux, WF6 Ce gaz réagit avec le filament de tungstène porté à haute température et il se forme un sous-fluorure gazeux, WFg, au cours de la réaction suivante 5 WF6 (g) + W (s) + 6 WF5 (g) où (g) désigne un gaz et (s) un solide. Ce sous-fluorure diffuse vers le substrat dont la température peut être située entre l'ambiante et 7000C et, au contact de la surface du verre, il se décompose par une réaction de dismutation 6 WF5 (g) + W (s) + 5 WF6 (g) avec formation de W solide et d'hexafluorure gazeux. Dans ce procédé, l'hexafluorure de tungstène intervient comme un agent de transport et le tungstène métallique est transporté du filament vers la surface de l'oxyde. Dès que la surface de l'oxyde est recouverte d'une couche continue de tungstène dont l'épaisseur peut être évaluée à environ 10 à 15 nm, le chauffage du filament est interrompu et la croissance de la couche de tungstène peut continuer en utilisant le procédé CVD classique, c'est-à-dire, la réduction de WF6 par l'hydrogène WF6 (g) + 3 H2 (g) + W (s) + 6 HF (g) Plus précisément, les conditions expérimentales peuvent être les suivantes. L'hexafluorure pur est introduit dans le réacteur sous une pression de l'ordre de 10 à 100 mTorr et réagit avec le filament de tungstène porté à haute température. Le pentafluorure de tungstène formé se décompose sur la surface de l'oxyde à une température comprise entre la température ambiante et 700 C. La vitesse de dépôt du tungstène peut atteindre 20 nm/mn.Au bout de quelques dizaines de secondes, la surface de l'oxyde est recouverte d'une couche continue de tungstène. L'alimentation électrique du filament est coupée et le tungstène peut alors être déposé par réduction de WF6 par l'hydrogène entre 300c et 600 C. Les pressions de gaz réactifs et la pression totale sont de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de mTorr, c'est-à-dire des valeurs utilisées couramment dans ce procédé de dépôt C.V.D. L'adhérence de la couche de tungstène sur le substrat dépend essentiellement de la valeur des contraintes méca- niques qui se développent dans la couche et qui sont fonction des conditions de dépôt utilisées. La couche de tungstène est ensuite gravée pour réaliser les lignes d'interconnexion et les étapes finales de la fabrication des circuits sont réalisées par des procédés classiques. On a décrit précédemment un cas particulier de la présente invention dans lequel on veut procéder à un dépôt de tungstène. On pourra procéder de la même façon à des dépôts de molybdène, de rhénium ou d'iridium en partant d'un hexafluorure de ces métaux et en utilisant un filament métallique 10 constitué du métal correspondant. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dépôt d'un métal réfractaire sur un substrat comprenant un réacteur classique (1) pour la réduction d'un hexafluorure du métal réfractaire par l'hydrogène, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filament (10) du métal réfractaire considéré disposé au voisinage du substrat (2), et des moyens pour alimenter en courant électrique ce filament et le porter à une température de l'ordre de 1500 à 2000 C. 2. Procédé de dépôt d'un métal réfractaire sur un substrat par réduction d'un hexafluorure du métal réfractaire par de l'hydrogène dans un réacteur approprié, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape initiale consistant à effectuer cette réduction en présence d'un fil incandescent dudit métal réfractaire disposé au voisinage du substrat. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal réfractaire est choisi dans le groupe comprenant le tungstène, le molybdène, le rhénium et l'iridium. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le métal réfractaire est du tungstène. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le substrat comprend une couche supérieure d'oxyde de silicium ou de verre de silice.