Brevet FR2695410A1 — publié le 19940311

PROCEDE DE PRETRAITEMENT D'UN SUBSTRAT POUR LE DEPOT SELECTIF DE TUNGSTENE. L'Invention est relative à un procédé de trai- tement d'un substrat préalablement au dépôt sélectif de tungstène(WF 6 réduit par Si H 4). Le dépôt sélectif de tungstène en phase vapeur chimique (C V D) est utilisé pour assurer l'interconnection des couches métalliques lors de la fabrication des circuits électroniques. Le principe en est le suivant: le substrat à traiter comporte en surface une couche métallique (tungstène) recouverte d'une couche d'oxyde de silicium dans laquelle sont ménagés, aux emplacements souhaités, des trous la traversant de part en part Ces trous sont destinés à être remplis de tungstène, ce qui permet ainsi d'assurer la connection entre les couches métalliques de part et d'autre de la couche d'oxyde de silicium. Le principal problème posé par le dépôt sélec- tif du tungstène concerne la sélectivité effective du dépôt En effet, idéalement, le tungstène devrait se déposer uniquement à l'intérieur des trous ménagés dans l'oxyde de silicium, au contact du métal apparaissant au fond de ces trous et non sur la couche d'oxyde de silicium elle-même En pratique, ce résultat est très difficile à obtenir, en particulier lorsque la tempéra- ture de dépôt est supérieure à 300 C. Pour tenter de résoudre ce problème, diffé- rents auteurs ont étudié les facteurs conditionnant le dépôt du tungstène sur l'oxyde de silicium, et les effets de divers traitements sur ce dépôt. Par exemple, KAJIYANA et al lMat Res Soc. Symp Proc VLSIV, p 39 ( 1990)l décrivent l'effet d'un prétraitement par le NF 3 sur le dépôt de tungstène sur un substrat d'oxyde de silicium. Le but de ce traitement est d'éviter la forma- tion d'une couche irrégulière d'oxyde de silicium à la surface du substrat, cette couche produisant par la suite des irrégularités dans le dépôt du tungstène Ils propo- sent donc de prévenir sa formation par un traitement au plasma de CF 4 + CHF 3, qui a pour effet d'implanter une couche d'atomes de carbone en surface du silicium Ces atomes de carbone sont ensuite eux-mêmes éliminés par balayage de la surface avec un plasma de NF 3 La qualité de la couche de tungstène déposée sur un substrat traité de la sorte est alors déterminée par comparaison avec un substrat portant une couche d'oxyde de silicium natif, et un substrat prétraité par trempage dans une solution d'acide fluorhydrique. Il ressort de cette comparaison que l'élimination de la couche d'oxyde, suivie d'un traite- ment par le NF 3 permet d'abaisser les températures de dépôt du tungstène; le film formé à 280 *C est simi- laire, de par son homogénéité et sa régularité, à celui obtenu lorsque l'on dépose le tungstène à 300 *C après traitement du substrat par trempage dans l'acide fluorhydrique. TAMARU et al lDry Process Symposium, Electrochemical Society, Pennington N J ( 1990)l ont étudié l'effet de différents traitements de surface sur la sélectivité du dépôt de tungstène en phase vapeur sur une couche d'oxyde de silicium Il ressort de cette étude que c'est le prétraitement au BC 13 qui permet d'améliorer le plus efficacement la sélectivité du dépôt de tungs- tène Selon ces auteurs, ce traitement génère des liaisons Si-Cl ainsi que des molécules de Si Clx et de Si Clx Oy, qui demeurent pendant un temps suffisant en surface de la couche d'oxyde de silicium pour la protéger contre l'attaque par des molécules d'hexafluorure de tungstène lors du dépôt de tungstène par CVD Ces mêmes auteurs indiquent également qu'un traitement au NF 3 ne permet pas d'obtenir des résultats comparables, ce qui serait dû au fait que les liaisons Si- F n'assurent qu'une faible protection contre l'attaque par le WF 6. Il était considéré jusqu'à présent qu'il n'était pas possible de procéder au dépôt sélectif de tungstène en phase vapeur à des températures supérieures à 300 'C; par exemple, K Y AHN et al lTungsten and other refractory metals for VLSI, Application IV MRS ( 1989)l ont étudié la croissance du dépôt de tungstène sélectif, et ont montré la perte de sélectivité à des températures supérieures à 300 'C Or les Inventeurs ont maintenant mis au point un procédé de traitement du substrat préalable au dépôt sélectif du tungstène, permettant d'effectuer le dépôt à des températures beaucoup plus élevées (environ 300 C à 400 C) que celles utilisées dans l'art antérieur, tout en conservant une sélectivité parfaite pour des épais- seurs supérieures au micron Les dépôts à des tempéra- tures comprises entre 330 et 400 'C améliorent considéra- blement l'adhérence (aucun décollement, résistance de contact diminuée) et la contrainte (inférieure au Giga- Pascal) et diminuent de moitié la résistivité du tungstène déposé; de par ces caractéristiques, le dépôt de tungstène sélectif effectué conformément à l'Invention peut être utilisé dans la fabrication des circuits intégrés permettant des connections inter-couches métal- liques d'un diamètre inférieur à 0,3 microns, tout en simplifiant leur fabrication Les Inventeurs ont décou- vert que contrairement, à ce qui est suggéré par la publication de TAMARU et al précitée, un traitement fluoré du substrat à doses appropriées permettait d'améliorer considérablement la sélectivité du dépôt de tungstène effectué ultérieurement. La surface du substrat étant formée de deux matériaux, à savoir l'oxyde de silicium et tungstène (oxydé en surface) apparaissant au fond des trous gravés dans l'oxyde de silicium, le dosage du traitement fluoré est conditionné par les exigences suivantes: Sur l'oxyde de silicium, le traitement doit être suffisant pour permettre le dépôt de quelques couches atomiques de fluor: formant une barrière uniforme et imperméable qui bloque la nucléation du tungstène; il n'y a pas de limite supérieure au nombre de couches de fluor déposées. En revanche, sur la partie du substrat constituée de tungstène oxydé, il n'y a pas de limite inférieure au dépôt de fluor, car le dépôt du tungstène par CVD peut être effectué même en l'absence de fluor En revanche, une limite supérieure est atteinte lorsque la totalité de la couche d'oxyde de tungstène a été trans- formée en fluorure de tungstène Tout apport supplémen- taire de fluor attaque le tungstène et forme en surface une couche atomique de fluor qui empêche le dépôt ultérieur du tungstène par CVD. Il apparaît donc que la dose de fluor adéquate pour permettre ultérieurement un dépôt sélectif de tungstène est définie d'une part, par le dosage minimum sur l'oxyde de silicium et d'autre part, par le dosage maximum sur le tungstène. La présente Invention a pour objet un procédé de traitement d'un substrat préalablement au dépôt sélectif de tungstène en phase vapeur, caractérisé en ce que l'on traite, dans une enceinte close, ledit substrat par un dérivé de fluor à une dose appropriée, ladite dose étant supérieure ou égale à la dose nécessaire pour permettre le dépôt d'au moins une couche atomique de fluor sur l'oxyde de silicium, et étant inférieure ou égale à la dose nécessaire pour assurer la transformation de la couche d'oxyde de tungstène en fluorure de tungstène, en l'absence de toute trace de gaz résiduel pouvant interférer avec le dépôt de fluor sur le substrat. Des gaz résiduels pouvant interférer avec le dépôt de fluor sur le substrat sont par exemple l'hydrogène, ainsi que l'air ou tout autre gaz oxydant. Lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, le traitement fluoré du substrat est effectué dans une atmosphère contrôlée, (par exemple sous vide, ou en présence d'hélium, d'argon, ou d'azote). Selon un mode de mise en oeuvre préféré de la présente Invention, on procède au traitement fluoré du substrat dans une enceinte de gravure conventionnelle de type RIE, par un plasma de NF 3 Dans ce mode de mise en oeuvre, à conditions de pression, température, débit de NF 3 et puissance de l'électrode RF déterminées, on obtient le dosage de fluor désiré en faisant varier le temps d'exposition du substrat dans le plasma; ce dosage peut varier selon le traitement qu'a subi l'oxyde auparavant, ou de par sa nature Plusieurs types d'oxyde de silicium ont été utilisés: le P TEOS (Tétra Ethyle Ortho Silicate déposé par Plasma), le USG (Undop Silicate Glass), le BSG (Boro Silicate Glass), le PSG (phospho Silicate Glass), et le BPSG (Boro Phospho Silicate Glass) De ces différents types d'oxyde, le P TEOS exige une dose de fluor plus importante que les autres oxydes testés. Selon une disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre, le traitement par le fluor est effectué à une pression comprise entre 200 et 500 m Torrs, une puissance d'électrode comprise entre 20 et 30 watts, une température comprise entre 15 et 50 C, un débit de NF 3 compris entre 15 et 40 cm 3/mn, un débit d'hélium compris entre 40 et 100 cm 3/mn. A titre d'exemple, pour un substrat constitué en surface de P TEOS et de tungstène, à une pression de 300 m Torr, une puissance d'électrode de 30 W, un débit de NF 3 de 20 cm 3/mn, et un débit d'hélium de 50 cm 3/mn, le temps de plasma varie entre 15 secondes pour le dépôt de la dose de fluor minimum, et 150 secondes pour le dépôt de la dose de fluor maximum. Selon un autre mode de mise en oeuvre préféré de la présente Invention, on procède au traitement fluoré du substrat dans une enceinte alimentée en NF 3, le plasma étant généré par une électrode, et le substrat étant indépendant de ladite électrode Dans ce cas, le dosage de fluor peut être déterminé en faisant varier la distance du substrat à l'électrode. Selon une disposition préférée de ce mode de mise en oeuvre, le traitement par le fluor est effectué pendant 5 à 25 secondes, à une pression comprise entre et 300 m Torrs, une puissance d'électrode comprise entre 20 et 30 watts, une température égale à la tempéra- ture de dépôt du tungstène (c'est à dire comprise entre 250 et 400 'C), un débit de NF 3 compris entre 25 et 30 cm 3/mn, en présence de 50 cm 3/mn d'argon, et de 50 cm 3/mn de N 2, et une distance électrode- substrat comprise entre 12,5 et 22 mm. La variation du temps de plasma permet de maintenir la dose de fluor constante à différentes tempé- ratures de traitement; à titre d'exemple, pour un substrat constitué en surface de P TEOS et de tungstène, le temps de plasma varie de 5 secondes pour une tempéra- ture de traitement et de dépôt de 290 'C à 25 secondes pour une température de traitement et de dépôt de 400 'C. La distance électrode-substrat varie par exemple entre 22 mm pour le dépôt de la dose de fluor minimum, et 12,5 mm pour le dépôt de la dose de fluor maximum. Selon encore un autre mode de mise en oeuvre préféré de la présente Invention, on procède au traite- ment à chaud du substrat, sous balayage de fluorure de xénon On contrôle la quantité de fluor déposé en faisant varier le temps d'exposition au Xe F 2 et/ou la température de traitement. Selon une disposition préférée de l'un ou l'autre des modes de mise en oeuvre qui précèdent, la chambre de dépôt a subi un prétraitement par le fluor, avant l'introduction du substrat Ce prétraitement a pour effet de laisser subsister des traces de fluor en tant que gaz résiduel, ce qui permet d'éliminer d'autres gaz interférant avec le dépôt du fluor. De préférence et afin d'éviter tout contact du substrat avec l'air ou tout autre gaz oxydant, consécuti- vement au traitement par le fluor, le dépôt du tungstène est effectué dans la même enceinte que le traitement par le fluor. La présente Invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère à des exemples de mise en oeuvre du procédé conforme à l'Invention. Il va de soi toutefois que ces exemples sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'Invention dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. EXEMPLE 1 - Le substrat est déposé dans une enceinte de gravure de type RIE ALCATEL (type GIR) sur l'électrode RF. Les conditions expérimentales sont les suivantes Pression 300 m Torr Puissance du plasma 30 Watts Température 40 C Débit de NF 3 20 cm 3/mn (dilué dans 50 cm 3/mn d'He). Dans ces conditions le dosage minimum est assuré par un temps d'exposition de 15 secondes de substrat au plasma de NF 3 et le dosage maximum par un temps d'exposition de 150 secondes. La quantité de fluor absorbé est évaluée par analyse AES qui mesure la vitesse de désorption. Cette analyse est effectuée dans les conditions suivantes: Irradiation: 6 g A, Energie e: 3 Ke V Le faisceau d'électrons balaye un carré de p de côté. Les résultats sont illustrés dans la Figure 1 Courbe 1: Substrat = Si O 2 Durée du traitement fluoré: 150 s Courbe 2: Substrat = tungstène Durée du traitement fluoré: 15 s Courbe 3: Substrat = tungstène Si O 2 Durée du traitement fluoré: 150 s Courbe 4: Substrat = tungstène Durée du traitement fluoré: 15 s. Ces courbes indiquent que le fluor désorbe plus lentement sur les échantillons 1 et 3 que sur les échantillons 2 et 4, montrant que la dose de fluor absorbée est plus importante pour un traitement de 150 s que pour un traitement de 15 s. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'Invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de mise en oeuvre, de réalisation et d'application qui vien- nent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée de la présente Invention. REVENDICATIONS 1) Procédé de traitement d'un substrat en vue du dépôt sélectif de tungstène en phase vapeur, caractérisé en ce que l'on traite, dans une enceinte close, ledit substrat par un dérivé de fluor à une dose appropriée, ladite dose étant supérieure ou égale à la dose nécessaire pour permettre le dépôt d'au moins une couche atomique de fluor sur l'oxyde de silicium, et étant inférieure ou égale à la dose nécessaire pour assurer la transformation de la couche d'oxyde de tungstène en fluorure de tungstène, et en ce que ledit traitement est effectué en l'absence de toute trace de gaz résiduel pouvant interférer avec le dépôt de fluor sur le substrat. 2) Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède au traitement fluoré du substrat dans une enceinte de gravure conventionnelle de type RIE, par un plasma de NF 3. 3) Procédé selon la Revendication 2, caractérisé en ce que le traitement par le fluor est effectué à une pression comprise entre 200 et 500 m Torrs, une puissance d'électrode comprise entre 20 et 30 watts, une température comprise entre 15 et 50 'C, un débit de NF 3 compris entre 15 et 40 cm 3/mn, un débit d'hélium compris entre 40 et 100 cm 3/mn. 4) Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que l'on procède au traitement fluoré du substrat dans une enceinte alimentée en NF 3, le plasma étant généré par une électrode, et le substrat étant indépendant de ladite électrode. ) Procédé selon la Revendication 4, caractérisé en ce que le traitement par le fluor est effectué pendant 5 à 25 secondes, à une pression comprise entre 150 et 300 m Torrs, une puissance d'électrode comprise entre 20 et 30 watts, une température égale à la température de dépôt du tungstène (c'est à dire comprise entre 250 et 400 'C), un débit de NF 3 compris entre 25 et cm 3/mn, en présence de 50 cm 3/mn d'argon, et de 50 c= 3/mn de N 2, et une distance électrode substrat comprise entre 12,5 et 22 mm. 6) Procédé selon la Revendication 1, caractérisé en ce que le traitement fluoré est effectué par traitement à chaud du substrat, sous balayage de fluorure de xénon. 7) Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la chambre de dépôt a subi un prétraitement par le fluor, avant l'introduction du substrat. 8) Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dépôt du tungstène est effectué dans la même enceinte que le traitement par le fluor.