Brevet FR2792643A1 — publié le 20001027

La présente invention concerne une composition de polissage mécano- chimique d'une couche en un matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique. Les dispositifs électroniques réalisés sur une plaque de silicium doivent être connectés entre eux au moyen de lignes métalliques d'interconnexion afin de constituer le circuit électronique désiré. Chaque niveau métallique d'interconnexion doit être isolé électriquement. Dans ce but, chaque niveau est encapsulé dans une couche diélectrique. Les lignes métalliques d'interconnexion des circuits intégrés sont le plus souvent réalisées par gravure réactive ionique du métal, selon la séquence suivante: on dépose un film d'aluminium ou d'alliage d'aluminium d'environ 10-12m d'épaisseur par faisceau d'électrons ou d'ions (sputtering), le dessin du circuit d'interconnexion y est ensuite transféré par photolithographie puis par gravure ionique réactive (Reactive Ionic Etching ou RIE). Les lignes ainsi définies sont ensuite 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. Afin de réduire les capacités induites par ce diélectrique, une voie consiste à utiliser des matériaux à faibles constantes diélectriques. Les meilleurs candidats ont été répertoriés par N.H. Hendricks - Mat. Res. Soc. Symp. Proc., vol. 443, 1997 p 3-14, et par L. Peters - Semi Conductor International - Sept. 1998, p.64 - 74. Les principales familles retenues sont: - les poly(aryléthers) fluorés tels que le Flare , - les poly(aryléthers) tels que le PAE-2, - les polyimides fluorés, - les hydridosilsesquioxanes et les alkylsilsesquioxanes, - les bisbenzocyclobutènes tels que le Cyclotène , - le poly (p-xylylène) tel que le Parylène N et le poly(ox, ox, a', o -tétrafluoro-p- xylylène) tel que le Parylène F - les polymères éther aromatiques du perfluorocyclobutane - les hydrocarbures aromatiques tels que le SiLK Pour pouvoir être intégrés dans un procédé micro-électronique d'interconnexion, ces polymères à faible constante diélectrique doivent satisfaire principalement les critères suivants: - un remplissage de tranchées de largeurs inférieures à 0,35 pm, - une température de transition vitreuse supérieure à 400 C, - une faible absorption d'humidité ( aplanie par polissage mécano-chimique. Y. L. Wang et al dans Thin Solid Films, (1997), 308-309, p. 550- 554, ont poli une couche d'alkylsiloxane au moyen d'une solution abrasive comprenant des particules de silice fumée en milieu basique (pH = 10,2), ou des particules d'oxyde de zirconium en milieu acide (pH = 3,3 - 4,6). G. R. Yang et al dans J. of Electronic Materials, Vol. 26, N'8, 1997, p.935-940, ont étudié la qualité de surface d'une couche de Parylène N obtenue après polissage avec différentes solutions abrasives comprenant des particules d'alumine en milieu acide ou alcalin. Les vitesses de polissage obtenues sont faibles quelle que soit la solution abrasive utilisée. J. M. Neirynck et al dans Mater. Res. Soc. Symp. Proc., 1995, Vol. 381, p.229 -235), ont tenté de polir trois types de polymères à faible constante diélectrique, le Parylène , le benzocyclobutène (BCB) et un polyimide fluoré, au moyen de solutions abrasives comprenant des particules d'alumine en milieu basique ou en milieu acide. Actuellement, I'intégration de couches de polymère à faible constante diélectrique dans un procédé micro-électronique d'interconnexion se heurte principalement aux performances insuffisantes obtenues sur ce type de matériau lors de l'étape d'aplanissement par polissage mécano- chimique. Cette étape est encore mal maîtrisée, notamment en ce qui concerne la vitesse de polissage et l'état de surface de la surface polie. Il a été constaté de façon surprenante et inattendue que l'utilisation d'une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée, contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, permet de polir une couche en un matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique notamment de type SiLK avec pour résultat l'obtention d'un très bon compromis sur les propriétés de vitesse de polissage, d'uniformité de polissage et d'état de surface de la surface polie. La présente demande a donc pour objet une composition de polissage mécano-chimique d'une couche en un matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, caractérisée en ce que ladite composition de polissage comprend une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée contenant des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes et de l'eau comme milieu de suspension. Par "suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée ", on entend une suspension aqueuse acide de silice colloïdale modifiée en surface par des oxydes de métaux tri- ou tétravalents tels que l'aluminium, le chrome, le gallium, le titane ou le zirconium et qui sont notamment décrits dans le livre "The Chemistry of Silica - R. K. Iler-Wiley Interscience (1979) p. 410- 411". Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la solution aqueuse acide de silice colloïdale cationisée contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes est obtenue à partir d'une solution d'hydroxychlorure d'aluminium à environ 50 % en poids dans laquelle on introduit, sous agitation, un sol de silice alcalin stabilisé au sodium et à un pH d'environ 9. On obtient ainsi une suspension stable de particules de silice colloïdale cationique de pH compris entre 3,5 et 4. Dans la présente demande on entend par "matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique de type SiLK " un matériau tel que décrit par PH. Towsend et al dans Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 1997, 476, p 9-17. Ce matériau est constitué d'une solution oligomérique de viscosité 30 centipoises dont la polymérisation ne requiert pas de catalyseur et n'induit pas de formation d'eau. Le réseau polymérisé est un hydrocarbure aromatique qui ne contient pas de fluor. Sa constante diélectrique est de 2,65, sa température de transition vitreuse est supérieure à 490 C et son indice de réfraction de 1,63. Dans des conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la suspension aqueuse de silice colloïdale précitée est cationisée par des oxydes de métaux tri ou tétravalents tels que l'aluminium, le chrome, le gallium, le titane ou le zirconium et tout particulièrement l'aluminium. Dans d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la composition de polissage mécano-chimique ci-dessus aura un pH compris entre 1 et 6, de préférence entre 2 et 4. Dans encore d'autres conditions préférentielles de mise en oeuvre de l'invention, la composition de polissage ci-dessus contient des particules de silice colloïdale cationisée, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres, de préférence entre 10 et 50 nanomètres. La présente demande a également pour objet un procédé de polissage mécano-chimique d'une couche de matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, dans lequel l'on procède à une abrasion de ladite couche de matériau isolant en frottant ladite couche à l'aide d'un tissu comportant un abrasif, caractérisé en ce que l'abrasif comprend une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée contenant des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, et de l'eau comme milieu de suspension. La présente demande a également pour objet un abrasif utile notamment pour le polissage mécano-chimique d'une couche de matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, comportant un tissu imprégné d'une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée comprenant des particules individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres, de pH compris entre 1 et 6, et de l'eau comme milieu de suspension. 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 1 La composition abrasive 1 est constituée par une suspension aqueuse acide de silice colloïdale, contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, et cationisée par de l'hydroxychlorure d'aluminium précédemment décrite qui a les caractéristiques suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 3,5 - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 %. On obtient une composition abrasive 1 selon l'invention. EXEMPLE 2: Exemple de polissage mécano-chimique avec la composition abrasive 1 Un dépôt de SiLK de 10000 A d'épaisseur est réalisé par centrifugation sur des plaquettes de silicium de 200 mm de diamètre. Puis la couche est polymérisée lors d'un recuit à 450 C. Les plaquettes sont ensuite polies sur polisseuse PRESI 2000 avec les conditions de polissage suivantes: - force d'appui: 0, 5 daN/cm2 - vitesse du plateau 30 tours/mn - vitesse de tête: 42 tours/mn - température de l'abrasif 10 C - débit d'abrasif 100 cm3/mn - tissu: IC 1400 AI de Rodel Products La vitesse de polissage et la non- uniformité sont déterminées en mesurant par ellipsomètrie l'épaisseur de SiLK avant et après polissage, en 17 points de la plaque. Cette composition abrasive 1 a permis d'obtenir les résultats suivants - vitesse de polissage SiLK : 4000 t/mn. - aucune rayure observable au microscope optique. EXEMPLE 3: Composition abrasive 2 La composition abrasive 2 est analogue à la composition abrasive 1, mais à une concentration pondérale en silice colloïdale de 15 %. On obtient une composition abrasive 2 selon l'invention. EXEMPLE 4: Exemple de polissage mécano-chimique avec la composition abrasive 2. En utilisant les mêmes paramètres de polissage que dans I'exemple 2, cette composition abrasive 2 a permis d'obtenir les résultats suivants - une vitesse de polissage du SiLK de 6000 t/mn. - aucune rayure observable au microscope optique. Par rapport à l'exemple 2, on constate une amélioration de la vitesse de polissage du SiLK malgré une concentration en matière active deux fois moindre. EXEMPLE 5: Composition abrasive 3 La composition abrasive 3 est constituée par une suspension aqueuse acide de silice colloïdale, contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, et cationisée par de l'hydroxychlorure d'aluminium précédemment décrite qui a les caractéristiques suivantes: - pH de la suspension aqueuse: 3,5 - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 25 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 4,4 % On obtient une composition abrasive 3 selon l'invention. EXEMPLE 6: Exemple de polissage mécano-chimique avec la composition abrasive 3 En utilisant les mêmes paramètres de polissage que dans l'exemple 2, cette composition abrasive 3 a permis d'obtenir les résultats suivants - une vitesse de polissage du SiLK de 3560 À/mn - aucune rayure observable au microscope optique. EXEMPLE DE COMPARAISON 1 La composition abrasive est constituée par une suspension aqueuse acide de silice colloïdale, contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, dont les caractéristiques sont les suivantes - pH de la suspension aqueuse: 2,5 - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 %. En utilisant les mêmes paramètres de polissage que dans l'exemple 2, cette composition abrasive a donné le résultat suivant: - une vitesse de polissage du SiLK 0 de 14 À/mn. Cette faible vitesse interdit l'utilisation de cette composition pour le polissage de couches à base de polymère à faible constante diélectrique. On voit donc tout l'intérêt à utiliser une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée par rapport à une suspension acide de silice colloïdale. EXEMPLE DE COMPARAISON 2: La composition abrasive est constituée par une suspension aqueuse basique de silice colloïdale contenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes, dont les caractéristiques sont les suivantes - pH de la suspension aqueuse: 10,8 - diamètre moyen des particules élémentaires de silice colloïdale: 50 nm - concentration pondérale en silice colloïdale: 30 %. En utilisant les mêmes paramètres de polissage que dans l'exemple 2, cette composition abrasive a donné le, résultat suivant: - une vitesse de polissage du SiLK de 62 À/mn. Cette faible vitesse interdit l'utilisation de cette composition pour le polissage de couches à base de polymère à faible constante diélectrique. On voit donc tout l'intérêt à utiliser une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée par rapport à une suspension basique de silice colloïdale. REVENDICATIONS 1. Une composition de polissage mécano-chimique d'une couche en matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, caractérisée en ce que ladite composition de polissage comprend une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée contenant des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes et de l'eau comme milieu de suspension. 2. Une composition de polissage mécano-chimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la suspension aqueuse acide de silice colloïdale est cationisée par de l'aluminium, du chrome, du gallium, du titane, du zirconium. 3. Une composition de polissage mécano-chimique selon la revendication 2, caractérisée en ce que la suspension aqueuse acide de silice colloïdale est cationisée par de l'hydroxychlorure d'aluminium. 4. Une composition de polissage mécano-chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite composition a un pH compris entre 1 et 6. 5. Une composition de polissage mécano-chimique selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite composition a un pH compris entre 2 et 4. 6. Une composition de polissage mécano-chimique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite composition comprend des particules de silice individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres. 7. Une composition de polissage mécano-chimique selon la revendication 6, caractérisée en ce que ladite composition comprend des particules individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes de diamètres compris entre 10 et 50 nanomètres. 8. Un procédé de polissage mécano-chimique d'une couche de matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, dans lequel l'on procède à une abrasion de la couche dudit matériau isolant en frottant ladite couche à l'aide d'un tissu comportant un abrasif, caractérisé en ce que l'abrasif comprend une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée contenant des particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes et de l'eau comme milieu de suspension. 9. Un procédé de polissage mécano-chimique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique est de type SiLK. 10. Un abrasif pour le polissage mécano-chimique d'une couche de matériau isolant à base de polymère à faible constante diélectrique, comportant un tissu imprégné d'une suspension aqueuse acide de silice colloïdale cationisée comprenant des particules individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 3 et 250 nanomètres, de pH compris entre 1 et 6, et de l'eau comme milieu de suspension.