Brevet FR2797998A1 — publié le 20010302

STABILISATION DE SURFACE DE VERRE DE SILICE RICHE EN SILICIUM PAR L'UTILISATION D'UN DÉLAI POST DÉPÈT ACCRU. Cette invention traite du domaine des semi- conducteurs et en particulier d'une méthode pour améliorer l'adhérence des films déposés par rotation (Spin-on-Glass ou SOG) sur une couche diélectrique sous-jacente. Les films SOG sont utilisés dans des circuits intégrés à grande échelle (VLSI) pour améliorer la planéisation des dispositifs. La planéisation, comme son nom l'indique, est le lissage des contours de la couche sous-jacente. En général, la couche SOG est déposée sur une couche diélectrique intermétallique (IMD1), qui est le plus souvent un film d'oxyde de silicium PECVD (dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma). Une seconde couche IMD d'oxyde PECVD (IMD2) est déposée sur le film SOG pour le recouvrir et lui éviter tout contact avec les structures métalliques supérieures. Pour une bonne adhérence entre le film sous- jacent IMD et un film SOG à base de siloxane, la couche IMD doit avoir des propriétés hydrophiles importantes dues à la présence des groupes silanols dans la couche SOG. De telles propriétés sont connues pour augmenter et améliorer les liaisons entre le film de revêtement SOG et la couche IMD1 d'oxyde de silicium PECVD. Les propriétés hydrophiles peuvent être mesurées à l'aide d'un goniomètre. Un goniomètre utilise la technique Kaelble pour connaître la tension de surface entre une surface solide et une surface liquide. Avec cette technique, on mesure -2-- l'angle formé avec la surface par une goutte d'eau. Plus l'angle est important, moins la surface est hydrophile. Lorsque des échantillons d'essai constitués d'un film SOG déposé sur un film IMD1 ont été soumis à des variations cycliques de température, des problèmes de délaminage importants sont apparus entre la couche SOG et le film IMD1. Un tel essai se fait sur de nombreux cycles avec des températures variant entre - 65 C et + 150 C. Le délaminage observé à l'interface SOG/IMD1 provoque une défaillance électrique des circuits intégrés. Pour éviter le délaminage à l'interface SOG/IMD1, il faut améliorer l'adhérence entre ces films. Tout traitement d'amélioration de cette adhérence doit être aussi simple que possible afin d'éviter la formation de craquelures dans le très délicat SOG. De plus, la production ne doit être affectée qu'au minimum dans la mesure o des étapes de process supplémentaires viendraient augmenter le coût et la complexité de la fabrication. Un traitement antérieur pour l'amélioration de l'adhérence est décrit dans le brevet américain numéro 5556806. Il fait état du traitement de la couche IMD1 par un plasma d'oxygène avant le dépôt du SOG. Un tel traitement par plasma a pour but d'augmenter la rugosité de la surface IMD1 ce qui, pense-t-on, pourrait améliorer l'adhérence du SOG sur l'IMD1. Ce procédé, qui nécessite une étape de fabrication supplémentaire, augmente cependant sensiblement le temps de fabrication et par conséquent le coût de production des dispositifs. -3- Selon la présente invention, il est fourni une méthode de fabrication d'un dispositif semi- conducteur comprenant les étapes de: formation d'une couche diélectrique de verre de silice par dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD) dans laquelle un précurseur gazeux de ladite couche diélectrique est envoyé dans une chambre de déposition en présence d'un champ électromagnétique; arrêt du précurseur gazeux tout en conservant le champ électromagnétique pendant un délai de plus de 0,5 seconde après l'arrêt dudit précurseur gazeux pour améliorer les propriétés hydrophiles dudit film; et dépôt d'un film SOG à base de siloxane sur ladite couche diélectrique. Cette technique s'est révélée améliorer de manière importante les propriétés hydrophiles du verre de silice riche en silicium et en conséquence l'adhérence au film SOG à base de siloxane. Le délai préférentiel est d'une seconde. Ce délai peut être plus long, mais il ne doit pas dépasser 3 secondes environ sinon la surface diélectrique risque de devenir trop rugueuse. Il ne semble pas que l'on se soit avisé auparavant que le délai A pouvait affecter les propriétés hydrophiles de la couche déposée. Le diélectrique est de préférence du verre de silice riche en silicium (SRSG) qui est connu en soi pour des couches diélectriques intermétalliques (IMD). Comme dans le PECVD traditionnel, le plasma, normalement créé par l'application d'un champ radioélectrique, active la réaction entre les précurseurs. Les précurseurs sont SiH4, N20, et N2. Le 4- gaz N2 est utilisé comme un gaz vecteur dans la chambre de déposition alors que l'oxyde de silicium est formé par réaction entre SiH4 et N20. Le SiH4 sert de source de silicium et le N20 de source d'oxygène. Une importante caractéristique de cette invention est que l'augmentation du délai n'affecte pas le rendement de production puisqu'aucun traitement ex situ n'est nécessaire. Dans le matériel conventionnel, le délai standard entre le moment o le débit de SiH4 est arrêté dans le réacteur et la coupure du champ radioélectrique (connu sous le nom de délai post-A dans la technique) est préréglé à 0,5 s. Les tranches sont ensuite déplacées vers une autre station pour la poursuite de la fabrication. L'invention va maintenant être décrite de manière plus détaillée à l'aide d'exemples et en se référant aux croquis d'accompagnement, dans lesquels: La Figure 1 montre une goutte d'eau sur une surface plane. La Figure 2 est un graphique montrant l'angle de contact d'une goutte d'eau sur la surface diélectrique en fonction du temps en jours pour les différents délais. Pour faire la démonstration de cette invention, les tranches de silicium ont été disposées dans une chambre de déposition à 7 stations selon le système Novellus Concept One PECVD. Il comprend sept stations de travail plus une station de transfert. Un pommeau de douche est disposé au-dessus de chaque -5- station. Les précurseurs sortent de ces pommeaux. Ces pommeaux sont aussi utilisés comme électrodes pour contrôler la fréquence radioélectrique de création du plasma qui est appliquée à la chambre de déposition, pour déclencher les réactions entre les précurseurs. SiH4, N20 et N2 étaient alimentés dans la chambre de déposition d'une manière connue en soi pour créer une couche de verre de silice riche en silicium (SRSG) sur la tranche de silicium. Le procédé SRSG est décrit, par exemple, par S.Blain et al. [S.Blain, L.Quellet, Y.Tremblay, " A Stress Temperature Hysteresis and Gas Desorption Study of Various Oxide Films Used in Intermetal Dielectrica Applications ". Conférence de DUMIC, 21 et 22 février 1995]. Le gaz N2 est utilisé comme gaz vecteur dans la chambre de déposition alors que l'oxyde de silicium se forme par réaction entre le SiH4 et le N20. Le SiH4 est la source de silicium et le N20 la source d'oxygène. Pour déterminer les propriétés hydrophiles et la stabilité à long terme de la couche diélectrique, le film SRSG (verre de silice riche en silicium) de 3500 A a été déposé sur la tranche de silicium avec différents délais (appelés délais post A). L'angle de contact formé par une goutte d'eau a été ensuite mesuré pour chaque échantillon selon la technique Kaelble. La Figure 1 illustre cette technique. Une goutte d'eau 1 est placée sur une couche de dépôt SRSG et l'angle de contact 0 est mesuré. Plus le film - 6 - est hydrophile et moins l'angle 0 est important. A l'inverse, plus le film est hydrophobe et plus l'angle de contact 0 est important. Il a été observé qu'une modification du délai post A affecte les propriétés hydrophiles des films. Le tableau suivant présente les angles obtenus immédiatement après le dépôt du film. Tableau 1: angle obtenu immédiatement après le dépôt du film en fonction du délai post A. Film d'oxyde de silicium (SRSG) Angle de contact (0) - 3500 À Délai post A 0,2 s 4,50 Délai post A 0,5 s (standard) 1,9 Délai post A 1, 0 s 1,7 L'on pourra constater qu'avec un délai post A de moins de 0,5 s, l'angle de contact est beaucoup plus élevé et que les propriétés hydrophiles sont bien moins bonnes. Toutefois, pour une bonne adhérence SOG, il est important que les propriétés hydrophiles restent stables après le dépôt. Une deuxième expérience a été réalisée dans laquelle l'angle de contact a été mesuré après 13 jours. Les résultats sont donnés dans le tableau ci- dessous: Film d'oxyde de silicium (SRSG) Angle de contact (0) - 3500 A Délai post A 0,2 s 21,7 Délai post A 0,5 s (standard) 20,8 Délai post A 1,0 s 2,5 Dans ce cas, les résultats sont bien plus impressionnants. Après 13 jours, les tranches de silicium avec un délai post A d'une seconde sont encore très hydrophiles (angle de contact de 2,5 ), tandis que les tranches avec un délai post A de 0,2 et 0,5 s ont des propriétés hydrophiles très faibles. Un troisième lot de tranches de silicium a été fabriqué de la même façon que le second lot. L'angle de contact est constaté pendant 35 jours. Dans ce troisième lot, les tranches avec un délai post A de 0,2 et 0,5 seconde ont des résultats similaires tandis que les tranches avec un délai A d'une seconde présentent une amélioration remarquable. L'on pense que de faibles délais post A, de l'ordre de 0,2 seconde, donnent toujours de mauvais résultats. Les délais se situant autour d'une seconde donnent de bons résultats avec une stabilité à long terme et ceci peut être étendu jusqu'à 3 secondes environ. Au-delà de ce temps, la surface sera trop rugueuse. Il apparaît que 0,5 s est une bonne moyenne sur la ligne de partage entre les bons et les mauvais résultats. Comme on l'a constaté en comparant le deuxième et le troisième lot, un délai post A de 0,5 s donne parfois de bons résultats et d'autres fois non. Pour profiter des avantages de l'invention, le délai post A doit être supérieur à 0,5 s, normalement au moins de 0,6 s et de préférence de l'ordre d'une seconde. Le délai post A peut être encore augmenté, mais une trop forte augmentation créera une rugosité de surface excessive et augmentera inutilement le temps de fabrication. Les résultats précédents permettent de conclure qu'un délai post A supérieur à 0,5 s -8- augmente la stabilité des propriétés hydrophiles de la couche IMD dans le temps. Une telle caractéristique augmente donc la robustesse du procédé et limite les risques de délaminage grâce à une meilleure adhérence entre les films constatée lors d'un essai de variation cyclique de température. Au vu des résultats précédents, le IMD1 déposé avec un délai post A de 0,5 s n'est pas stable dans le temps puisque l'on constate des variations de ses propriétés hydrophiles. A cet égard, le délai post A d'une seconde offre une meilleure stabilité. Pour terminer le procédé, un film SOG à base de siloxane est déposé sur le film diélectrique. La raison pour laquelle l'invention fonctionne semble être due au fait qu'un délai post A supérieur crée plus de groupes silanols dans la couche IMD. De tels groupes silanols dans la couche IMD sont directement responsables d'une meilleure adhérence du SOG sur le film IMD. Cela est dû au fait que pendant le dépôt et le durcissement du SOG, la polymérisation se fait par condensation des groupes silanols et ethoxy. Le système utilisé pour cette invention a été celui d'une chambre à 7 stations de déposition, mais l'homme de l'art comprendra qu'il serait possible d'obtenir des résultats similaires avec une chambre à tranche PECVD unique, ou n'importe quel autre type de chambre PECVD adaptée. La technique de dépôt pourrait aussi être changée dans la mesure o l'on pense que la surface - 9 - est modifiée du fait de la quantité réduite de précurseurs disponibles pendant le délai post A. De ce fait, cette invention pourrait être utilisée pour d'autres applications et techniques. Elle pourrait s'appliquer à la métallisation, aux polymères, etc. La technique de dépôt pourrait également être n'importe quelle technique PVD (dépôt physique en phase gazeuse). Cette invention peut aussi être utilisée pour n'importe quel film à dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD) ou n'importe quel traitement par plasma. En particulier, elle peut être utilisée pour toutes les étapes de la fabrication des circuits intégrés nécessitant des films sous-jacents hydrophiles (ou hydrophobes), la gravure au plasma de matériaux, la métallisation PECVD, les couches de passivation PECVD et la métallisation PVD. Le champ d'application de l'invention englobe: les diodes d'émission, les écrans à cristaux liquides, les écrans électro-chromiques, les écrans plats, les photodétecteurs, les batteries solaires, les capteurs et les actionneurs, les fibres optiques, les protections anticorrosion, les promoteurs d'adhérence, la réduction des frottements et les réglages de réflectance optique/thermique. - 10 - REVENDICATIONS 1. Méthode de fabrication d'un dispositif semi-conducteur, comprenant les étapes de: formation d'une couche diélectrique de verre de silice par dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD) dans laquelle un précurseur gazeux de ladite couche diélectrique est alimenté dans une chambre de déposition en présence d'un champ électromagnétique; arrêt de l'alimentation dudit précurseur gazeux tout en conservant le champ électromagnétique pendant un délai supérieur à 0,5 seconde après l'arrêt de l'alimentation dudit précurseur gazeux pour améliorer les propriétés hydrophiles dudit film; et dépôt d'un film SOG (déposé par rotation) à base de siloxane sur ladite couche diélectrique. 2. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit délai se situe entre 1 et 3 secondes. 3. Méthode selon la revendication 2, dans laquelle ledit délai est d'une seconde. 4. Méthode selon' la revendication 1, dans laquelle ledit précurseur gazeux est du silane (SiH4) 5. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit délai est d'au moins 0,6 seconde. 6. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit verre de silice est un verre de silice riche en silicium (SRSG). 7. Méthode selon la revendication 1, dans laquelle ledit champ électromagnétique est un champ radioélectrique. 8. Méthode de fabrication d'un dispositif semi-conducteur, comprenant les étapes de: formation d'une couche diélectrique de verre de silice riche en silicium (SRSG) par dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma (PECVD) dans laquelle du silane (SiH4) est alimenté dans une chambre de déposition en présence d'un champ radioélectrique; arrêt de l'alimentation dudit silane tout en conservant le champ électromagnétique pendant un délai d'au moins 0,6 s après l'arrêt de l'alimentation du précurseur gazeux pour améliorer les propriétés hydrophiles dudit film; et dépôt d'un film SOG (déposé par rotation) à base de siloxane, sur ladite couche diélectrique.