Brevet FR2795746A1 — publié le 20010105

PROCEDE DE DEPOT D'UN MATERIAU DIELECTRIQUE A BASE DE SILICIUM SUR DU CUIVRE Domaine technique La présente invention concerne un procédé de dépôt d'un matériau diélectrique à base de silicium sur du cuivre. Elle concerne en particulier un procédé de dépôt d'une couche barrière à la diffusion du cuivre, à base de silicium, sur des lignes conductrices en cuivre. Ce procédé est notamment approprié pour la réalisation de niveaux d'interconnexions en cuivre sur des dispositifs semi-conducteurs. Etat de la technique antérieure Dans les techniques de réalisation de dispositifs micro-électroniques, le cuivre est de plus en plus utilisé dans la fabrication des interconnexions pour ses propriétés électriques et en particulier pour sa très faible résistivité. Il permet, en remplaçant l'aluminium, d'améliorer les performances des circuits intégrés du type microprocesseur. Pour des dispositifs élaborés à partir d'un substrat en silicium, les matériaux isolants utilisés entre les lignes d'interconnexions et entre les niveaux d'interconnexions sont à base de silicium. Ce sont notamment Si02, SiN et SION. La difficulté essentielle liée à l'utilisation du cuivre dans de tels dispositifs réside dans le fait qu'une contamination des parties actives du substrat (par exemple des transistors) par du cuivre à des taux très faibles (de l'ordre de quelques 1011 atome s/cm3) est suffisante pour dégrader totalement les performances des circuits correspondants. Il faut donc éviter toute diffusion du cuivre vers les parties actives. Pour cela, il est connu de disposer des couches barrière de diffusion en matériau diélectrique entre le cuivre et les parties actives. Certaines couches barrière sont déposées directement sur le cuivre. L'adhérence du matériau de couche barrière sur le cuivre doit également être de bonne qualité pour permettre la réalisation d'interconnexions à plusieurs niveaux. Les meilleurs matériaux diélectriques pour réaliser une couche barrière à la diffusion du cuivre sont les composés à base de silicium et d'azote, du type SiNx. Les matériaux du type SiNx peuvent être déposés à température relativement basse par des procédés de type CVD (Dépôt Chimique en Phase Vapeur) à partir de mélanges gazeux en proportions variables de silane, d'azote et d'ammoniac. La vitesse du dépôt est accélérée en utilisant un plasma pour décomposer les espèces réactives. Le cuivre peut alors à son tour être contaminé par le matériau de la couche barrière à cause du procédé de dépôt utilisé. Il en résulte une modification très notable de la résistivité des lignes de cuivre. Cette augmentation de résistivité est d'autant plus accentuée que le procédé de dépôt est effectué à haute température. C'est en particulier le cas pour les dépôts inter-niveaux sur cuivre. L'augmentation de la résistivité du cuivre s'explique par la diffusion rapide de silicium depuis le matériau de la couche barrière jusque dans le cuivre. Une contamination constituée par seulement 1% de silicium en solution dans le cuivre entraîne un doublement de la résistivité du cuivre, ce qui est considérable. D'autres couches de matériau diélectrique peuvent être déposées sur le cuivre à partir de précurseurs comportant des éléments chimiques susceptibles de contaminer le cuivre. Outre le silicium, on peut citer le fluor et le carbone. Pour déposer un diélectrique comportant du silicium, on peut utiliser du silane, du diméthylsilane ou du triméthylsilane. Une contamination possible du cuivre par le fluor peut se faire en utilisant comme précurseur un mélange CF,/CH,. Dans le cas du dépôt de nitrure de silicium sur du cuivre, la formation d'un siliciure à la surface du cuivre a été mise en évidence et utilisée pour améliorer l'adhérence de la couche de nitrure sur le cuivre. Le brevet US-A-5 447 887, qui exploite cet effet, ne mentionne que l'altération de la résistance surfacique de la couche de cuivre : la formation de siliciure de cuivre entraîne une consommation de cuivre inférieure à 10% de la couche initiale. Cependant, l'effet sur la résistivité d'une mise en solution du silicium dans le reste de la couche de cuivre n'est pas abordé. Par ailleurs, ce procédé d'amélioration de l'adhérence du nitrure sur le cuivre nécessite la consommation d'une partie de la couche de cuivre initiale, ce qui limite son application à des couches d'épaisseur relativement importante (au moins égale à 1 um). Le brevet US-A-5 831 283 enseigne que l'adhérence du diélectrique SiN sur le cuivre peut être obtenue en déposant du SiN dense à basse température et sans ammoniac. La formation d'un siliciure n'est pas mentionnée comme vecteur d'adhérence. Cependant, la vitesse de dépôt du nitrure est trop lente (26 nm/min à 200 C), ce qui pénalise la productivité. Ce brevet ne parle pas d'une éventuelle dégradation de la résistivité du cuivre sous-jacent à la couche de nitrure. Exposé de l'invention Pour remédier aux inconvénients énumérés ci-dessus, il est proposé selon la présente invention un procédé de dépôt de matériau diélectrique sur du cuivre, ce procédé permettant d'éviter la contamination du cuivre par un élément contaminant provenant d'un gaz utilisé pour réaliser ce dépôt de matériau diélectrique, ce procédé permettant également d'obtenir une bonne qualité d'interface entre le cuivre et le matériau diélectrique déposé. L'invention a donc pour objet un procédé de dépôt d'ûn matériau diélectrique sur du cuivre apparent à la surface d'une structure, comprenant les étapes suivantes - introduction de la structure dans une enceinte de dépôt de type CVD (dépôt chimique en phase vapeur), - introduction dans l'enceinte d'un premier gaz constituant un précurseur à la formation du matériau diélectrique et contenant un élément susceptible de contaminer le cuivre, - introduction dans l'enceinte d'un deuxième gaz contenant un élément chimique destiné à former, avec l'élément contenu dans le premier gaz et susceptible de contaminer le cuivre, ledit matériau diélectrique, le deuxième gaz étant apte à réagir avec le premier gaz pour fournir le dépôt de matériau diélectrique, - réalisation du dépôt de matériau diélectrique à partir du premier gaz et du deuxième gaz, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'introduction d'un troisième gaz apte à éviter la contamination du cuivre par ledit élément contenu dans le premier gaz. Avantageusement, l'enceinte de dépôt permettant un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), le procédé comprend une étape d'allumage du plasma pour réaliser le dépôt de matériau diélectrique à partir du premier gaz et du deuxième gaz. Le premier gaz peut être du silane. Le deuxième gaz peut contenir un élément chimique qui est de l'azote ou être lui-même de l'azote. Le troisième gaz peut contenir de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou du carbone. I1 peut être choisi dans le groupe constitué de N,.Oy, C,tHy, d'un mélange xN2+yHZ ou d'un mélange xO2+yN2. A titre d'exemple, il peut être constitué de NH3, N20, CH4 et C2H6. Selon une variante de mise en ceuvre, les premier, deuxième et troisième gaz sont aussi introduits avant l'allumage du plasma, les débits des premier, deuxième et troisième gaz, l'énergie nécessaire au dépôt et la durée de la constitution du dépôt étant réglés en fonction de l'épaisseur de matériau diélectrique désirée et de ses propriétés physiques (optiques, densité, contrainte, valeur de constante diélectrique) désirées. Selon une autre variante de mise en oeuvre, les étapes se déroulent dans l'ordre suivant - introduction de la structure dans l'enceinte de dépôt, - introduction du troisième gaz dans l'enceinte de dépôt, le troisième gaz étant choisi pour réduire les oxydes présents à la surface du cuivre, - allumage d'un plasma de troisième gaz dans l'enceinte de dépôt afin de réduire lesdits oxydes, - introduction des premier et deuxième gaz dans l'enceinte de dépôt, réglage des débits des premier, deuxième et troisième gaz, de l'énergie nécessaire au dépôt et de la durée de la constitution du dépôt en fonction de l'épaisseur de matériau diélectrique désirée et de ses propriétés physiques désirées. Le troisième gaz peut avantageusement être de l'ammoniac. En vue d'obtenir un matériau diélectrique en SiN, le premier gaz peut être du silane, l'élément chimique du deuxième gaz peut être de l'azote et le troisième gaz peut être de l'ammoniac. La constitution du matériau diélectrique peut se faire sous une température comprise entre 100 et 600 C, de préférence sous une température de l'ordre de 400 C. Eventuellement, le troisième gaz peut être le même que le deuxième gaz. I1 peut aussi être un mélange. Par exemple, il peut être dilué dans un gaz neutre tel que l'azote, l'argon ou l'hélium. L'invention a aussi pour objet l'application de ce procédé au dépôt d'une couche barrière à la diffusion du cuivre sur la surface d'une structure comportant au moins une ligne conductrice en cuivre. L'invention a encore pour objet l'application de ce procédé au dépôt de couches barrière à la diffusion du cuivre lors de la réalisation de niveaux d'interconnexions en cuivre sur des dispositifs semi-conducteurs. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 illustre l'étape de dépôt d'une métallisation en cuivre dans la réalisation d'un niveau d'interconnexion de type damascène, - la figure 2 illustre l'étape de polissage mécano-chimique dans la réalisation du niveau d'interconnexion de type damascène, - la figure 3 représente le niveau d'interconnexion après dépôt de différentes couches de matériau diélectrique. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 montre une partie d'un substrat en silicium 1 comportant un contact électrique 2 à relier à une ligne électrique en cuivre. Le contact électrique 2 est entouré latéralement par un matériau diélectrique 6, par exemple en Si02. De manière connue, une couche de matériau diélectrique 3, par exemple en Si02, est déposée sur la surface libre de la structure. La couche 3 est gravée de manière à révéler une partie du contact 2. Une couche 4 en TiN est déposée sur la couche 3 gravée. La couche 4 empêche la diffusion du cuivre dans le diélectrique et dans le substrat en silicium 1. Ensuite, une métallisation 5 en cuivre est déposée uniformément sur la couche 4. Cette métallisation assure la liaison électrique avec le contact 2 et s'étend au-dessus de la couche de matériau diélectrique 3. La figure 2 montre la structure 10 obtenue après l'étape de polissage mécano-chimique réalisée jusqu'à atteindre la couche de matériau diélectrique 3 et éliminer ainsi la couche de TiN au-dessus de la couche 3. Après l'étape de polissage, la surface de la structure 10 ainsi polie est nettoyée. Elle présente une masse de cuivre apparente 15. La figure 3 représente le niveau d'interconnexion réalisé par la suite. I1 s'agit d'un niveau d'interconnexion de type double damascène. Il comprend une couche 11 de SiN déposée sur la surface de la structure 10, une couche 12 de Si02 recouvrant la couche 11, une couche 13 de SiN recouvrant la couche 12 et une couche 14 de Si02 recouvrant la couche 13. Les couches 11 à 14 peuvent être déposées à une température de 400 C. La couche 11 en SiN était, selon le procédé de dépôt divulgué par le document US 5 831 283, déposée de la façon suivante. Les gaz N2 et SiH4 sont mélangés pendant 10 secondes dans une enceinte de dépôt PECVD. Un premier dépôt est effectué à 500 W avec ce mélange. Un second dépôt est ensuite effectué à 625 W au début duquel le gaz NH3 est introduit. Ce procédé de l'art antérieur induit une augmentation de 40% de la résistance surfacique du cuivre sur une épaisseur de 200 nm. Selon l'invention, l'augmentation de la résistance surfacique du cuivre est évitée en introduisant le gaz NH3 avant l'introduction des gaz SiH4 et N2 dans l'exemple décrit et avant l'allumage du plasma de dépôt. L'azote permet d'homogénéiser la température et la phase gazeuse. Le premier dépôt du procédé selon la document US 5 831 283 est supprimé. I1 a été constaté qu'avec le procédé de l'invention, une bonne qualité de l'interface SiN/Cu est obtenue : le nitrure ne présente pas de rugosité anormale et ne se délamine pas. Les propriétés de la couche de SiN sont identiques à celles du procédé selon l'art antérieur. Surtout, on n'observe pas d'augmentation de la résistance surfacique du cuivre, c'est-à-dire que si une augmentation de résistance existe, elle est inférieure à 1%. Une variante de mise en oeuvre du procédé va maintenant être décrite. Elle permet d'assurer une bonne reproductibilité de l'interface Cu/SiN au moyen d'un traitement par plasma de NH3 sur la surface du cuivre. Ce traitement permet de réduire les oxydes formés en surface du cuivre. Dans ce cas, afin d'éviter la réaction du silane sur la surface de cuivre activée par le plasma de NH3 et d'éviter la contamination du cuivre par le silicium, le dépôt de SiN doit se faire dans la continuité du traitement par plasma de NH3. Une fois le plasma allumé avec le gaz NH3 et le traitement de désoxydation terminé, les gaz silane et azote sont introduits et le débit d'ammoniac est modifié pour obtenir les proportions de gaz nécessaires au dépôt de nitrure de silicium. Le plasma de NH3 est réalisé à la même température que le dépôt de nitrure. La puissance du plasma NH3 peut être différente de celle du dépôt de nitrure. I1 suffit qu'elle soit ajustée sans que le plasma ne soit interrompu. L'invention a aussi pour objet un procédé de dépôt d'un matériau diélectrique sur du cuivre apparent à la surface d'une structure, comprenant les étapes suivantes - introduction de la structure dans une enceinte de dépôt de type CVD (dépôt chimique en phase vapeur), - introduction dans l'enceinte d'un gaz constituant un précurseur à la formation du matériau diélectrique et contenant un premier élément susceptible de contaminer le cuivre et un deuxième élément apte à se combiner avec le premier élément pour fournir le matériau diélectrique, - réalisation du dépôt de matériau diélectrique par combinaison du premier élément et du deuxième élément, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'introduction d'un gaz supplémentaire apte à éviter la contamination du cuivre par ledit élément contenu dans le gaz précurseur. En vue d'obtenir un matériau diélectrique en SiC, le gaz constituant un précurseur peut être du triméthylsilane. REVENDICATIONS 1. Procédé de dépôt d'un matériau diélectrique (11) sur du cuivre (15) apparent à la surface d'une structure (10), comprenant les étapes suivantes - introduction de la structure (10) dans une enceinte de dépôt de type CVD (dépôt chimique en phase vapeur), - introduction dans l'enceinte d'un premier gaz constituant un précurseur à la formation du matériau diélectrique et contenant un élément susceptible de contaminer le cuivre, - introduction dans l'enceinte d'un deuxième gaz contenant un élément chimique destiné à former, avec l'élément contenu dans le premier gaz et susceptible de contaminer le cuivre, ledit matériau diélectrique (11), le deuxième gaz étant apte à réagir avec le premier gaz pour fournir le dépôt de matériau diélectrique (11), - réalisation du dépôt de matériau diélectrique à partir du premier gaz et du deuxième gaz, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'introduction d'un troisième gaz apte à éviter la contamination du cuivre par ledit élément contenu dans le premier gaz. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte de dépôt permettant un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), le procédé comprend une étape d'allumage du plasma pour réaliser le dépôt de matériau diélectrique à partir du premier gaz et du deuxième gaz. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier gaz est du silane, l'élément contaminant étant Si. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément chimique du deuxième gaz est de l'azote. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième gaz est de l'azote. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le troisième gaz contient de l'oxygène et/ou de l'azote et/ou du carbone. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le troisième gaz est choisi dans le groupe constitué de NXOY, CXHY, d'un mélange xN2+yH2 ou d'un mélange xO2+yN2. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le troisième gaz est choisi dans le groupe constitué de NH3, N20, CH4 et C2H6. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier, deuxième et troisième gaz sont aussi introduits avant l'allumage du plasma, les débits des premier, deuxième et troisième gaz, l'énergie nécessaire au dépôt et la durée de la constitution du dépôt étant réglés en fonction de l'épaisseur de matériau diélectrique (11) désirée et de ses propriétés physiques désirées. 10. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les étapes se déroulent dans l'ordre suivant - introduction de la structure (10) dans l'enceinte de dépôt, - introduction du troisième gaz dans l'enceinte de dépôt, le troisième gaz étant choisi pour réduire les oxydes présents à la surface du cuivre (15), - allumage d'un plasma de troisième gaz dans l'enceinte de dépôt afin de réduire lesdits oxydes, - introduction des premier et deuxième gaz dans l'enceinte de dépôt, réglage des débits des premier, deuxième et troisième gaz, de l'énergie nécessaire au dépôt et de la durée de la constitution du dépôt en fonction de l'épaisseur de matériau diélectrique (11) désirée et de ses propriétés physiques désirées. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le troisième gaz est de l'ammoniac. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, en vue d'obtenir un matériau diélectrique en SiN, le premier gaz est du silane, ledit élément chimique du deuxième gaz est de l'azote et le troisième gaz est de l'ammoniac. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la constitution du matériau diélectrique (11) se fait sous une température comprise entre 100 et 600 C. 14. Procédé de dépôt d'un matériau diélectrique (11) sur du cuivre (15) apparent à la surface d'une structure (10), comprenant les étapes suivantes . - introduction de la structure (10) dans une enceinte de dépôt de type CVD (dépôt chimique en phase vapeur), - introduction dans l'enceinte d'un gaz constituant un précurseur à la formation du matériau diélectrique (11) et contenant un premier élément susceptible de contaminer le cuivre et un deuxième élément apte à se combiner avec le premier élément pour fournir le matériau diélectrique (11), - réalisation du dépôt de matériau diélectrique par combinaison du premier élément et du deuxième élément, caractérisé en ce que le procédé comprend une étape d'introduction d'un gaz supplémentaire apte à éviter la contamination du cuivre par ledit élément contenu dans le gaz précurseur. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'enceinte de dépôt permettant un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), le procédé comprend une étape d'allumage du plasma pour réaliser le dépôt de matériau diélectrique à partir du gaz précurseur. 16. Procédé selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que, en vue d'obtenir un matériau diélectrique en SiC ledit gaz constituant un précurseur est du triméthylsilane. 17. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes au dépôt d'une couche barrière à la diffusion du cuivre sur la surface d'une structure (10) comportant au moins une ligne conductrice en cuivre (15). 18. Application du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 au dépôt de couches barrière -à la diffusion du cuivre lors de la réalisation de niveaux d'interconnexions en cuivre sur des dispositifs semi-conducteurs.