Brevet FR2774809A1 — publié le 19990813

STRUCTURE DE COUCHES BARRIERE COMPORTANT DEUX COUCHES ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne une couche barrière et un pro- cédé de fabrication de celle-ci. La présente invention concerne plus par- ticulièrement une couche barrière et un procédé de fabrication de celleci qui permettent de renforcer l'adhérence dans un passage avec des parois latérales consistant en un diélectrique à faible k. De façon générale, lorsque le niveau d'intégration de circuits intégrés augmente, le nombre d'interconnexions en métal qui sont néces- saires pour interconnecter des dispositifs augmente de façon correspon- dante. Ceci est particulièrement vrai dans la fabrication de circuits à très haut niveau d'intégration (ou VLSI) à un niveau largement au- dessous du micromètre. Une propriété importante et hautement souhaitable d'inter- connexions métalliques consiste en une bonne conductivité électrique, même lorsque l'aire de contact est très petite. A l'heure actuelle, le maté- riau le plus courant pour former des interconnexions métalliques est l'aluminium. Cependant, le cuivre a une résistance inférieure et un point de fusion plus élevé. Par conséquent, au fur et à mesure que le niveau d'intégration continue à augmenter, le cuivre a le potentiel de remplacer I'aluminium à titre de matériau pour former des interconnexions dans la génération à venir, malgré les nombreux problèmes prévisibles qui exis- tent encore. La figure 1 est une coupe montrant une structure de couche barrière classique. Comme représenté sur la figure 1, la structure de couche barrière est formée en fournissant tout d'abord un substrat semi- conducteur 10, avec une couche conductrice 11, telle qu'une structure de ligne métallique, qui a déjà été formée sur le substrat 10. On forme en- suite une couche diélectrique 12 sur la couche conductrice 11 et le subs- trat 10. On peut former la couche diélectrique 12 en utilisant un matériau diélectrique à faible k. Ensuite, on forme un passage 14 dans la couche dielectrique 12, après quoi on dépose dans le passage 14 un matériau fortement conducteur, tel que du tungstène, du cuivre ou de l'aluminium. En général, on forme également une couche barrière entre le passage 14 et la couche conductrice et entre le passage 14 et la couche diélectrique 12. On forme la couche barrière 13 dans le but d'augmenter l'adhérence du matériau conducteur sur les côtés du passage 14, ainsi que dans le but d'empêcher la diffusion du matériau conducteur dans la couche di- électrique. A l'heure actuelle, les matériaux de couche barrière les plus couramment utilisés comprennent le titane-nitrure de titane (Ti/TiN), le nitrure de tungstène (WN), le tantale (Ta) et le nitrure de tantale (TaN). La figure 2 est une coupe montrant une structure de couche barrière classique formée par un processus d'incrustation, ou processus "damascène". Comme représenté sur la figure 2, on forme la structure de couche barrière en fournissant tout d'abord un substrat semiconducteur sur lequel est formée une couche conductrice 21. La couche conduc- trice peut être par exemple une première structure de ligne métallique. On forme ensuite une couche diélectrique 22 sur la couche conductrice 21 et le substrat 20. On peut former la couche diélectrique 22 en utilisant un matériau diélectrique à faible k. Ensuite, on forme séquentiellement une seconde ouverture 24 et une première ouverture 23 dans la couche diélectrique 22. Ensuite, on forme une couche barrière 25 sur la pre- mière ouverture 23 et la seconde ouverture 24. De façon générale, les matériaux de couche barrière les plus couramment utilisés comprennent le titane/nitrure de titane (Ti/TiN), le nitrure de tungstène (WN), le tan- tale (Ta) et le nitrure de tantale (TaN). On utilise une couche barrière 13 dans le but d'augmenter la force d'adhérence d'un matériau conducteur déposé ultérieurement, ainsi que dans le but d'empêcher la diffusion du matériau conducteur vers la couche diélectrique. A l'étape suivante, on dépose une couche conductrice 26 dans les ouvertures 23 et 24 et sur la couche diélectrique 22. On peut former la couche conductrice 26 en utili- sant un matériau qui a une bonne conductivité électrique, par exemple le tungstène, le cuivre ou l'aluminium. Enfin, on aplanit la couche conduc- trice 26 en utilisant une opération de polissage chimio-mécanique pour achever le processus de fabrication d'incrustation. L'avantage de l'utili- sation d'un processus d'incrustation comprend sa capacité à former à la fois un passage et une seconde structure métallique dans la même opé- ration de traitement. Par exemple, une structure de passage est formée dans la première ouverture 23, et une seconde structure de ligne métalli- que est formée dans la seconde ouverture 24. Les procédés de fabrication d'une couche barrière mentionnés ci-dessus ont effectivement des défauts. Premièrement, si le matériau qui est utilisé pour remplir le passage est du cuivre (tendance future), du fait que l'inter-diffusion entre le cuivre et le matériau dielectrique est très forte, une barrière formée en utilisant un matériau et un procédé classi- ques ne peut pas empêcher la diffusion. On utilise souvent un matériau diélectrique organique à faible k à titre de couche diélectrique, mais le matériau diélectrique organique à faible k a une mauvaise adhérence avec un matériau de couche barrière classique. Ceci vient du fait qu'un matériau diélectrique à faible k a une capacité d'absorption d'humidité élevée; ceci est particulièrement vrai pour un matériau diélectrique orga- nique à faible k. Par conséquent, une couche d'humidité sera retenue sur la couche de surface du matériau dielectrique. Par conséquent, la couche diélectrique ne peut procurer qu'une mauvaise adhérence avec la couche barrière et la couche conductrice déposées par la suite. Compte tenu de ce qui précède, il existe un besoin portant sur un procédé de fabrication d'une couche barrière. La présente invention est donc destinée à procurer une couche barrière et un procédé de fabrication de la couche barrière, qui augmen- tent l'adhérence entre une couche diélectrique à faible k et une couche barrière, ainsi qu'à renforcer la capacité d'une couche barrière à empê- cher la diffusion d'un matériau conducteur. De plus, la couche barrière est capable de protéger la surface de la couche diélectrique à faible k et de minimiser l'effet de formation d'une surface absorbant l'humidité. Pour atteindre ces avantages, ainsi que d'autres, et conformé- ment au but de l'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon générale, I'invention procure une structure de couches barrière. La structure de couches barrière comprend un substrat semiconducteur avec une couche conductrice formée sur lui et une couche diélectrique formée sur la couche conductrice et sur le substrat semiconducteur. La couche diélectrique a une ouverture qui met à nu la couche conductrice, et elle peut consister par exemple en une couche diélectrique organique à faible k. Il existe également une première couche barrière déposée dans l'ouverture dans la couche diélectrique et dans ses régions périphériques; cette première couche barrière peut être une couche contenant du silicium ou une couche de silicium dopé (Si dopé). Une seconde couche barrière est formée au-dessus de la première couche barrière et elle peut être une couche de titane/nitrure de titane (TilTiN), une couche de ni- trure de tungstène (WN), une couche de tantale (Ta) ou une couche de nitrure de tantale (TaN). Pour atteindre ces avantages, ainsi que d'autres, et conformé- ment au but de l'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon générale, I'invention procure un procédé de fabrication d'une couche barrière. Premièrement, on fournit un substrat semiconducteur sur lequel est formée une couche conductrice. Ensuite, on dépose une cou- che diélectrique, telle qu'une couche diélectrique organique à faible k, sur la couche conductrice et sur le substrat semiconducteur. Ensuite, on forme une ouverture dans la couche diélectrique pour mettre à nu la cou- che conductrice. Ensuite, on dépose une première couche barrière dans l'ouverture et dans la région environnante. La première couche barrière peut être une couche contenant du silicium ou une couche de silicium dopé (Si dopé), formée par un procédé de dépôt chimique en phase va- peur renforcé par plasma (ou PECVD), un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD), et un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons ou un procéde de pulvérisation cathodique. En- fin, on forme une seconde couche barrière sur la première couche bar- rière. La seconde couche barrière peut être une couche de titane/nitrure de titane (Ti/TiN), une couche de nitrure de tungstène (WN), une couche de tantale (Ta) ou une couche de nitrure de tantale (TaN). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une coupe schématique montrant une structure de couche barrière classique; La figure 2 est une coupe montrant une structure de couche barrière classique formée par un processus d'incrustation; Les figures 3A à 3D sont des coupes montrant la progression d'étapes de fabrication pour la formation d'une couche barrière sur la surface d'un passage, conformément à un premier mode de réalisation de l'invention; et Les figures 4A à 4D sont des coupes montrant la progression d'étapes de fabrication pour la formation d'une couche barrière en utili- sant un processus d'incrustation, conformément à un second mode de réalisation préféré de l'invention. Dans ce qui suit, on utilise toujours les mêmes références dans les dessins et la description pour désigner les éléments identiques ou analogues, chaque fois que c'est possible. Les figures 3A à 3D sont des coupes montrant la progression d'étapes de fabrication pour la formation d'une couche barrière sur la surface d'un passage, conformément à un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Premièrement, sur la figure 3A, on fournit un substrat semicon- ducteur 30 sur lequel est formée une couche conductrice 31. La couche conductrice 31 peut être par exemple la région de source/drain d'un tran- sistor ou une partie d'une structure de ligne métallique. Ensuite, on forme une couche diélectrique 32 sur la couche conductrice 31 et le substrat semiconducteur 30. La couche diélectrique 32 peut être par exemple une couche diélectrique organique à faible k ou une couche d'oxyde. Ensuite, on définit un motif dans la couche diélectrique 32 pour former une ou- verture 33 mettant à nu la couche conductrice 31. Ensuite, comme représenté sur la figure 3B, on nettoie le subs- trat semiconducteur 30 à nu et la couche diélectrique 32 à nu, en utilisant un procédé de nettoyage à sec ou par voie humide. Ensuite, on effectue un traitement par plasma pour nettoyer le substrat'semiconducteur à nu et la couche diélectrique à nu 32. On peut accomplir le traitement par plasma en utilisant un plasma contenant de l'argon (Ar), de l'hydrogène (H2) ou de l'argon/hydrogène. Ensuite, on forme une première couche barrière mince 34 sur l'ouverture 33 et les régions environnantes. La première couche barrière 34, ayant de préférence une épaisseur infé- rieure à 30 nm, est une couche de silicium dopé (Si dopé) ou une couche dopée au silicium. On peut former la première couche barrière 34 en utili- sant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plasma (ou PECVD), un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD), et un procédé d'évaporation par faisceau d'élec- trons ou un procédé de pulvérisation cathodique. La première couche barrière 34 est capable d'augmenter son adhérence sur une couche di- électrique organique à faible k, et de diminuer l'absorption d'humidité de la couche diélectrique organique. Ensuite, comme représenté sur la figure 3C, on forme une se- conde couche barrière 35 sur la première couche barrière 34. La seconde couche barrière 35 peut être par exemple une couche composite de ti- tane/nitrure de titane (Ti/TiN), une couche de nitrure de tungstène (WN), une couche de tantale (Ta) ou une couche de nitrure de tantale (TaN), et elle est formée en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase va- peur. Enfin, comme représenté sur la figure 3D, on dépose un maté- riau conducteur, tel que du tungstène, du cuivre ou de l'aluminium, sur la couche diélectrique 32 et de façon à remplir l'ouverture 33. Ensuite, on polit la couche conductrice pour mettre à nu la couche diélectrique 32, en utilisant un procédé de polissage chimio-mécanique. Une structure de passage 36 est ainsi formée. Les figures 4A à 4D sont des coupes montrant la progression d'étapes de fabrication pour la formation d'une couche barrière en utili- sant un processus d'incrustation conforme à un second mode de réalisa- tion préféré de l'invention. Premièrement, sur la figure 4A, on fournit un substrat semicon- ducteur 40 sur lequel est formée une couche conductrice 41. La couche conductrice 41 peut être par exemple la région de source/drain d'un tran- sistor, ou une partie d'une structure de ligne métallique. Ensuite, on forme une couche diélectrique 42 sur la couche conductrice 41 et le substrat semiconducteur 40. La couche diélectrique 42 peut être par exemple une couche diélectrique organique à faible k ou une couche d'oxyde. Ensuite, on définit un motif dans la couche diélectrique 42 pour former une première ouverture 44, la profondeur de la première ouverture 44 étant inférieure à l'épaisseur de la couche diélectrique 42. Après ceci, on poursuit l'attaque de la couche diélectrique 42 pour former une se- conde ouverture 43 qui met à nu la couche conductrice 41 au-dessous de la première ouverture 44, la seconde ouverture 43 ayant une largeur infé- rieure à celle de la première ouverture 44. Ensuite, comme représenté sur la figure 4B, on nettoie le subs- trat semiconducteur 40 à nu et la couche diélectrique 42 à nu, en utilisant un procédé de nettoyage à sec ou par voie humide. Ensuite, on effectue en outre un traitement par plasma pour nettoyer le substrat semiconduc- teur 40 à nu et la couche diélectrique 42 à nu. On peut effectuer le trai- tement par plasma en utilisant un plasma contenant de l'argon (Ar), de l'hydrogène (H2) ou de l'argon/hydrogène. Ensuite, on forme une pre- mière couche barrière mince 45 sur la première ouverture 44, la seconde ouverture 43 et les régions environnantes. La première couche barrière , ayant de préférence une épaisseur inférieure à 30 nm, est une cou- che de silicium dopé (Si dopé) ou une couche dopée au silicium. On peut former la première couche barrière 34 en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plasma (PECVD), un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD), et un procé- dé d'évaporation par faisceau d'électrons ou un procédé de pulvérisation cathodique. La première couche barrière 45 est capable d'augmenter son adhérence sur une couche diélectrique organique à faible k, et de dimi- nuer l'absorption d'humidité de la couche diélectrique organique. Ensuite, comme représenté sur la figure 4C, on forme une se- conde couche barrière 46 sur la première couche barrière 45. La seconde couche barrière 46 peut être par exemple une couche composite de ti- tane/nitrure de titane (Ti/TiN), une couche de nitrure de tungstène (WN), une couche de tantale (Ta) ou une couche de nitrure de tantale (TaN), formées en utilisant un procédé de dépôt chimique en phase vapeur. Enfin, comme représenté sur la figure 4D, on dépose un maté- riau conducteur tel que du tungstène, du cuivre ou de l'aluminium, sur la couche diélectrique 42 et de façon qu'il remplisse la première ouverture 44 et le seconde ouverture 43. Ensuite, on polit la couche conductrice pour mettre à nu la couche diélectrique 42, en utilisant un procédé de polissage chimio-mécanique. Une structure de passage formée par un processus d'incrustation est ainsi réalisée. L'avantage de l'utilisation d'un processus d'incrustation comprend sa capacité a former à la fois un pas- sage et une seconde structure de ligne métallique dans la même opéra- tion de traitement. Par exemple, une structure de passage est formée dans la seconde ouverture 43, tandis qu'une seconde structure de ligne métallique est formée dans la première ouverture 44. En résumé, le procédé de formation d'une couche barrière com- prend les caractéristiques suivantes: (1) La première couche barrière 34, par exemple une couche de silicium dopé (Si dopé), est capable d'augmenter son adhérence sur la couche diélectrique organique à faible k 32. (2) La première couche barrière 34 est capable de protéger la surface de la couche diélectrique organique à faible k 32. Par consé- quent, I'effet de présence d'humidité dans la couche diélectrique 32 sera minimisé. (3) La première couche barrière 34 de l'invention est capable de réduire les contraintes entre la couche diélectrique 32 et la couche mé- tallique 36 déposée ultérieurement. (4) La première couche barrière 34, conjointement à la seconde couche barrière 35, augmente la capacité à empêcher la diffusion de la couche métallique 36 déposée par la suite. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- portées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Structure de couches barrière, caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat semiconducteur (30) sur lequel est formée une couche conductrice (31); une couche dielectrique (32) sur la couche con- ductrice (31) et le substrat semiconducteur (30), la couche dielectrique ayant une ouverture (33) pour mettre à nu la couche conductrice (31); une première couche barrière (34) contenant du silicium, sur les côtés de l'ouverture et la région environnante; et une seconde couche barrière (35) sur la première couche barrière (34). 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche conductrice (31) comprend la région de source/drain d'un tran- sistor. 3. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche conductrice (31) comprend une structure de ligne métallique. 4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche diélectrique (32) comprend une couche diélectrique organique à faible k. 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première couche barrière (34) comprend une couche de silicium dopé (Si dopé). 6. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la première couche barrière (34) a une épaisseur inférieure à 30 nm. 7. Structure selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la seconde couche barrière (35) comprend soit une couche composite de titane/nitrure de titane (Ti/TiN), soit une couche de nitrure de tungstène (WN), soit une couche de tantale (Ta), soit une couche de nitrure de tantale (TaN). 8. Procédé de formation d'une couche barrière, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on fournit un substrat semicon- ducteur (30) sur lequel est formée une couche conductrice (31); on forme une couche dielectrique (32) sur la couche conductrice (31) et le substrat semiconducteur (30), et on forme ensuite une ouverture (33) dans la cou- che diélectrique (32), pour mettre à nu la couche conductrice (31); on forme une première couche barrière (34) contenant du silicium, sur les côtés de l'ouverture (33) et sur la région environnante; et on forme une seconde couche barrière (35) sur la première couche barrière (34). 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche conductrice (31) comprend la région de source/drain d'un tran- sistor. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche conductrice (31) comprend une structure de ligne métallique. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de formation de la seconde couche barrière (35) comprend le dé- pôt de titane (Ti) et ensuite de nitrure de titane (TiN), pour former une couche composite de titane/nitrure de titane (Ti/TiN). 12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de formation de la seconde couche barrière (35) comprend le dé- pôt de nitrure de tungstène (WN). 13. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que I'étape de formation de la seconde couche barrière (35) comprend le dé- pôt de tantale (Ta). 14. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'étape de formation de la seconde couche barrière (35) comprend le dé- pôt de nitrure de tantale (TaN). 15. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'après l'étape de formation de la seconde couche barrière (35) sur la première couche barrière (34), on dépose en outre un matériau conduc- teur dans l'ouverture (33), après quoi on effectue une opération de polis- sage chimio-mécanique. 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en le maté- riau qui est utilisé pour former la couche conductrice (31) est sélectionné dans un groupe qui comprend le tungstène, le cuivre et l'aluminium. 17. Procédé de formation d'une couche barrière qui peut être appliqué à un processus d'incrustation, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on fournit un substrat semiconducteur (40) sur le- quel est formée une couche conductrice (41); on forme une couche di- électrique (42) sur la couche conductrice (41) et le substrat semiconduc- teur (40), et on forme ensuite une première ouverture (44) dans la cou- che diélectrique (42), la profondeur de la première ouverture (44) étant inférieure a l'épaisseur de la couche diélectrique (42); on forme une se- conde ouverture (43) qui met a nu la couche conductrice (41), en conti- nuant à effectuer une opération d'attaque dirigée vers le bas, à partir de la première ouverture (44), la largeur de la seconde ouverture étant infé- rieure à celle de la première ouverture; on forme une première couche barrière (45) contenant du silicium, sur les côtés de la première ouverture (44) et de la seconde ouverture (43), et sur la région environnante; et on forme une seconde couche barrière (46) sur la première couche barrière (45). 18. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la couche diélectrique (42) comprend le dépôt d'un diélectrique organique à faible k. 19. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la première couche barrière (45) com- prend le dépôt de silicium dopé (Si dopé). 20. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que la première couche barrière (45) a une épaisseur inférieure à nm. 21. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la première couche barrière (45) com- prend un procédé de dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plas- ma (ou PECVD). 22. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la première couche barrière (45) com- prend un procédé de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (ou LPCVD). 23. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la première couche barrière (45) com- prend un procédé d'évaporation par faisceau d'électrons. 24. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 17, caractérisé en ce que l'étape de formation de la première couche barrière (45) com- prend un procédé de pulvérisation cathodique. 25. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le matériau formant la seconde couche barrière (46) est sélectionné dans un groupe qui comprend le titane/nitrure de titane (Ti/TiN), le nitrure de tungstène (WN), le tantale (Ta) et le nitrure de tantale (TaN). 26. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend, après l'étape de formation de la seconde couche barrière (46) sur la première couche barrière (45), le dépôt d'un matériau conducteur dans la première ouverture (44) et la seconde ouverture (43), suivi par une opération de polissage chimio-mecanique. 27. Procédé selon la revendication 26, caractérisé en ce que le matériau qui est utilisé pour la formation de la couche conductrice (41) est sélectionné dans un second groupe qui comprend le tungstène, le cuivre et l'aluminium.