Brevet FR2789998A1 — publié le 20000825

La présente invention concerne une nouvelle composition de polissage mécano-chimique d'une couche en un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, utilisée dans l'industrie microélectronique des semi-conducteurs comme matériau constituant des lignes d'interconnexion. Les dispositifs électroniques réalisés sur une plaque de silicium doivent être connectés entre eux au moyen de lignes d'interconnexion afin de constituer le circuit électronique désiré. Actuellement, ces lignes d'interconnexion sont définies le plus souvent à partir d'un film à base d'aluminium. L'aluminium peut être associé à du silicium ou (et) à du cuivre, en faibles proportions, pour améliorer sa résistance à l'électromigration. Les lignes d'interconnexion des semi-conducteurs sont habituellement réalisées selon la séquence suivante: un film d'aluminium ou d'alliage d'aluminium d'environ 1 pm d'épaisseur est déposé par bombardement d'une cible en aluminium ou en alliage d'aluminium au moyen d'un faisceau d'électrons ou d'un faisceau d'ions (sputtering); le dessin du circuit d'interconnexion y est ensuite transféré par photolithographie puis par gravure ionique réactive (Reactive Ionic Etching: RIE). Les lignes ainsi définies doivent être électriquement isolées, aussi sont-elles recouvertes d'une couche diélectrique généralement à base d'oxyde de silicium, le plus souvent obtenue par décomposition en phase vapeur de tétraéthylorthosilicate (TEOS). Cette couche est ensuite aplanie par polissage mécano-chimique. Le procédé Damascene constitue une solution alternative permettant de réaliser les lignes d'interconnexion en aluminium, en réduisant le nombre d'étapes nécessaires. Il consiste à déposer sur un substrat une couche diélectrique à base d'oxyde de silicium. On forme ensuite dans cette couche diélectrique, par deux photolithographies et gravures ioniques réactives successives, les trous de contact et les tranchées reproduisant le dessin du circuit d'interconnexion. On dépose ensuite une couche d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. qui est polie par polissage mécano-chimique jusqu'à atteindre la surface de la couche diélectrique. L'aluminium ne subsiste alors que dans les contacts et les tranchées. Le procédé Damascene permet d'éviter les problèmes liés à la gravure réactive ionique de l'aluminium: faible sélectivité de gravure de l'aluminium par rapport à son contre-masque en résine et contrôle délicat du profil des lignes d'aluminium. Pour réaliser le polissage mécano-chimique de la couche d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, deux phénomènes doivent être évités: - une attaque de la couche d'oxyde de silicium sous-jacente, appelée aussi érosion. Cela introduit localement des reliefs et va à l'encontre du but d'aplanissement recherché. - Un surpolissage des lignes d'interconnexion dans les tranchées, appelé aussi "dishing". Non seulement ce phénomène génère également des reliefs, mais aussi réduit l'épaisseur des lignes d'interconnexion, et de ce fait augmente leur résistance. Ces deux phénomènes sont principalement dus à une mauvaise uniformité de polissage de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium. En effet, un enlèvement imparfait de la couche métallique impose d'effectuer un surpolissage important pour éviter tout risque de continuité électrique entre les différents dispositifs électroniques, ce qui a pour conséquence de surpolir les lignes d'interconnexion et les zones diélectriques déjà découvertes. L'étape de polissage de l'aluminium doit donc être non seulement uniforme mais aussi aboutir à un excellent état de surface. En effet, I'aluminium est un métal tendre et malléable qu'il est difficile de polir sans rayures. Ces rayures peuvent être générées principalement de deux façons: - I'alumine, qui se forme naturellement en surface de l'aluminium, est un matériau plus dur que l'aluminium. Les particules de cette couche d'alumine, une fois abrasées, peuvent s'agglomérer puis rayer la surface de l'aluminium. Il faut donc utiliser une composition abrasive qui minimise la formation en surface d'alumine, et/ou évite l'agglomération des particules d'alumine abrasées. - les particules constituant la composition abrasive peuvent également rayer la surface de l'aluminium si leur forme et leur rugosité sont mal contrôlées, ce qui privilégie les suspensions colloïdales de silice plutôt que les abrasifs à base de silice fumée ou d'alumine. Il a été proposé dans EP-A-0 779 655, une composition abrasive comprenant une suspension de silice fumée pour polir des surfaces d'aluminium ou d'alliage d'aluminium. WO-A-97/13889 décrit une solution abrasive destinée au polissage de films d'aluminium, de cuivre, de nickel ou de tantale, comprenant une suspension de particules d'alumine. Les abrasifs connus à ce jour, et destinés au polissage de l'aluminium ou d'alliage d'aluminium, étant essentiellement des abrasifs à base d'alumine ou de silice fumée, ne permettent pas d'obtenir une qualité de surface satisfaisante. Or, la demanderesse a constaté de façon surprenante et inattendue, que l'utilisation d'une suspension aqueuse alcaline de silice colloïdale stabilisée par un hydroxyde de tétraalkylammonium et associée à un agent oxydant permettait d'obtenir: - une vitesse de polissage élevée d'une plaquette d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, - un excellent état de surface de l'aluminium. La présente invention a donc pour objet une composition abrasive pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium utilisée dans l'industrie microélectronique des semi- conducteurs comprenant une suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, un hydroxyde de tétraalkylammonium, et un agent oxydant. Selon les recherches de la demanderesse, I'agent oxydant est responsable de l'amélioration des propriétés de polissage des compositions abrasives de l'invention, tandis que l'hydroxyde de tétraalkylammonium stabilise la composition. Les compositions abrasives selon l'invention auront notamment un pH compris entre 8 et 12, de préférence entre 10,5 et 11. Ces compositions abrasives peuvent être obtenues, par exemple, à partir d'un sol de silice stabilisé au sodium. Ce sol de silice sera alors traité sur une résine échangeuse de cations pour éliminer le sodium présent, puis par de l'hydroxyde de tétraméthylammonium pour obtenir une suspension aqueuse alcaline stable, objet de la présente invention. Des compositions abrasives avantageuses selon l'invention sont obtenues à partir de silice colloïdale avec des particules individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes et ayant des diamètres moyens de particules compris entre 12 nm et 100 nm, de préférence entre 35 nm et 50 nm et tout particulièrement d'environ 50 nm. Dans les compositions selon l'invention, les particules abrasives sont avantageusement présentes à une concentration pondérale comprise entre 5 % et 50 %, de préférence entre 25 % et 35 %, et tout particulièrement à une concentration de 30 % environ. L'hydroxyde de tétraalkylammonium utilisé pour stabiliser les compositions abrasives selon l'invention est choisi de préférence parmi l'hydroxyde de tétraméthylammonium, I'hydroxyde de tétraéthylammonium, I'hydroxyde de tétrapropylammonium, et tout particulièrement l'hydroxyde de tétraméthylammonium. Cet hydroxyde de trétraalkylammonium pourra être de préférence utilisé à une concentration comprise entre 0,1 % en poids et 1 % en poids par rapport à la silice de départ et tout particulièrement à une concentration de 0,4 % en poids environ par rapport à la silice de départ. Les compositions abrasives selon l'invention contiennent de préférence entre 0,5 % et 10 % en volume d'agent oxydant. Celui-ci est notamment choisi parmi les chlorates, perchlorates, chlorites, iodates, nitrates, sulfates, persulfates, peroxydes, I'eau ozonisée et l'eau oxygénée. L'agent oxydant sera de préférence le peroxyde d'hydrogène ou eau oxygénée. Une composition préférée ci-dessus est caractérisée en ce que la quantité d'eau oxygénée diluée à 30 % présente dans ladite composition abrasive est comprise entre 0,5 % et 10 % en volume par rapport au total de ladite composition abrasive et notamment de 7,5 % en volume environ par rapport au total de ladite composition abrasive. Les compositions de l'invention ont de remarquables propriétés qui justifient leur utilisation dans le polissage d'une couche en un matériau conducteur à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, pouvant être par exemple un alliage aluminium-cuivre ou un alliage aluminium-siliciumcuivre. La présente demande a encore pour objet un abrasif pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium utilisé dans l'industrie microélectronique des semiconducteurs, caractérisé en ce qu'il contient une composition abrasive qui comprend une suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, un hydroxyde de tétraalkylammonium et un agent oxydant. La présente demande a enfin pour objet un procédé pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium utilisée dans l'industrie microélectronique des semiconducteurs, caractérisé en ce que l'on abrase la couche d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, à l'aide d'une solution abrasive ci-dessus. Les conditions préférentielles de mise en oeuvre des compositions abrasives ci-dessus décrites s'appliquent également aux autres objets de l'invention visés ci-dessus. On comprendra mieux la portée de l'invention en se référant aux exemples cités ci-dessous qui ont pour but d'éclairer les avantages de l'invention. EXEMPLE 1: Composition abrasive On ajoute 7,5 % en volume d'eau oxygénée diluée à 30 %, à une suspension de silice colloïdale stabilisée par 0,4 % en poids d'hydroxyde de tétraméthylammonium (échantillon PL 1509 de Clariant France SA) dont les caractéristiques sont les suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 11 - surface spécifique: 55 m2/g - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 % On obtient ainsi une composition abrasive selon l'invention. EXEMPLE 2: Exemple de polissage mécano-chimique Sur chaque plaquette étudiée est réalisé un dépôt d'aluminium de 10000 A d'épaisseur sur une couche de 1600 A d'oxyde de silicium. Les plaquettes sont ensuite polies sur polisseuse PRESI E 460 avec les conditions de polissage suivantes: - force d'appui: 0,2 daN/cm2 - vitesse du plateau: 30 tours/mn - vitesse de tête: 30 tours/mn - température de l'abrasif: 20 C - débit d'abrasif: 100 cm3/mn - tissu: IC 1000 lisse de Rodel Products, en utilisant l'abrasif obtenu à l'exemple 1. Cette composition abrasive a permis d'obtenir les résultats suivants: - une vitesse de polissage de l'aluminium de 1700 A/mn. - un excellent état de surface (aucune rayure observée au microscope optique). - une non-uniformité de polissage égale à 8 %. EXEMPLE DE COMPARAISON 1 Exemple de polissage mécano-chimique avec un abrasif identique à celui de l'exemple 1, sans addition d'eau oxygénée. En utilisant des plaquettes identiques à celles de l'exemple 2 et dans les mêmes conditions opératoires que celles de l'exemple 2 et en utilisant une suspension aqueuse alcaline de silice colloïdale stabilisée par 0,4 % en poids d'hydroxyde de tétraméthylammonium dont les caractéristiques sont les suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 11 - surface spécifique: 55 m2/g - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 %, on obtient les résultats suivants: - une vitesse de polissage de l'aluminium de 1450 A/mn. - une non-uniformité de polissage égale à 15 % De plus, cette suspension génère de nombreuses rayures sur la surface de l'aluminium. Ce mauvais état de surface interdit l'utilisation de ce procédé pour la réalisation de lignes d'interconnexion en aluminium par procédé Damascene. EXEMPLE DE COMPARAISON 2 Exemple de polissage mécano-chimique avec un abrasif comprenant une suspension aqueuse alcaline de silice colloïdale stabilisée par 1,2 % en poids de NH3 (Klebosol ) 30 N 50 PHN de Clariant France SA) et comprenant 7,5 % en volume d'eau oxygénée diluée à 30 %. En utilisant des plaquettes identiques à celles de l'exemple 2 et dans les mêmes conditions opératoires que celles de l'exemple 2, en utilisant une suspension aqueuse alcaline de silice colloïdale stabilisée par 1,2 % en poids de NH3 dont les caractéristiques sont les suivantes - pH de la suspension aqueuse: 11 - surface spécifique: 57 m2/g - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 % à laquelle on ajoute 7,5 % en volume d'eau oxygénée diluée à 30 %, on obtient les résultats suivants: - une vitesse de polissage de l'aluminium de 1600 A/mn. - une non-uniformité de polissage égale à 10 % Cependant, elle génère de nombreuses rayures sur la surface de l'aluminium. Ce mauvais état de surface interdit l'utilisation de ce procédé pour la réalisation de lignes d'interconnexion en aluminium par procédé Damascene. EXEMPLE DE COMPARAISON 3 Exemple de polissage mécano-chimique avec un abrasif comprenant une suspension aqueuse acide de silice colloïdale (Klebosol 30 H 50 de Clariant France SA) et 7,5 % en volume d'eau oxygénée diluée à %. En utilisant des plaquettes identiques à celles de l'exemple 2, et dans les mêmes conditions opératoires que celles de l'exemple 2, en utilisant une suspension aqueuse acide de silice colloïdale dont les caractéristiques sont les suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 2,2 - surface spécifique: 54 m2/g - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 % à laquelle on ajoute 7,5 % en volume d'eau oxygénée diluée à 30 %, on génère de nombreuses rayures sur la surface de l'aluminium. Ce mauvais état de surface ainsi interdit l'utilisation de ce procédé pour la réalisation de lignes d'interconnexion en aluminium par procédé Damascene. REVENDICATIONS 1. Une composition abrasive pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, utilisée dans I'industrie microélectronique des semi-conducteurs, caractérisée en ce que ladite composition abrasive comprend une suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, un hydroxyde de tétraalkylammonium et un agent oxydant. 2. Une composition abrasive selon la revendication 1, caractérisée en ce que le pH de ladite suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes est compris entre 8 et 12. 3. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le pH de ladite suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes est de 10,5 à 11. 4. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le diamètre moyen des particules abrasives de silice colloïdale individualisées de ladite composition est compris entre 12 nm et 100 nm. 5. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le diamètre moyen des particules abrasives de silice colloïdale de ladite composition est compris entre 35 nm et 50 nm. 6. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la concentration pondérale en particules abrasives de ladite composition est comprise entre 5 % et 50 %. 7. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la concentration pondérale en particules abrasives de ladite composition est comprise entre 25 et 35 %. 8. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'agent stabilisant des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes est l'hydroxyde de tétraméthylammonium, I'hydroxyde de tétraéthylammonium ou l'hydroxyde de tétrapropylammonium. 9. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la quantité de l'hydroxyde de tétraalkylammonium est comprise entre 0,1 % en poids et 1 % en poids par rapport à la silice de départ. 10. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la quantité de l'hydroxyde de tétraalkylammonium est de 0,4% en poids environ par rapport à la silice de départ. 11. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à , caractérisée en ce que l'agent oxydant est choisi parmi les chlorates, perchlorates, chlorites, iodates, nitrates, sulfates, persulfates, peroxydes, I'eau ozonisée et l'eau oxygénée. 12. Une composition abrasive selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que l'agent oxydant est l'eau oxygénée. 13. Une composition abrasive selon la revendication 12, caractérisée en ce que la quantité d'eau oxygénée diluée à 30 % dans ladite composition abrasive est comprise entre 0,5 % et 10 % en volume par rapport au total de ladite composition abrasive. 14. Une composition abrasive selon l'une des revendications 12 et 13, caractérisée en ce que la quantité d'eau oxygénée diluée à 30 % dans ladite composition abrasive est de 7,5 % en volume environ par rapport au total de ladite composition abrasive. 15. Un abrasif pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium utilisé dans l'industrie microélectronique des semi-conducteurs, caractérisé en ce qu'il contient une composition abrasive qui comprend une suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, un hydroxyde de tétraalkylammonium et un agent oxydant. 16. Un procédé pour le polissage mécano-chimique d'un matériau conducteur d'aluminium ou d'alliage d'aluminium utilisée dans l'industrie microélectronique des semi-conducteurs, caractérisé en ce que l'on abrase la couche d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, à l'aide d'une solution abrasive qui comprend une suspension aqueuse alcaline de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, un5 hydroxyde de tétraalkylammonium et de l'eau oxygénée.