Brevet FR2823375A1 — publié le 20021011

Circuit intégré avec poches d'air et procédé de fabrication correspondant. L'invention concerne les circuits intégrés. L'augmentation continue de la densité d'intégration dans les circuits intégrés submicroniques nécessite l'empilement d'un nombre croissant de niveaux de métallisation pour la connexion des transistors ainsi que la réduction des dimensions des connexions. Les réductions des dimensions conduisent à l'augmentation de la résistance des lignes métalliques (pistes métalliques) et de la capacité entre pistes. Le temps de propagation du signal dans les lignes (proportionnel au produit de la résistance et de la capacité de ces lignes) devient alors le facteur qui limite la vitesse du circuit. De plus, la diaphonie entre des lignes immédiatement voisines, qui est proportionnelle à la capacité totale entre lignes, devient importante. Pour réduire la capacité entre les lignes, des matériaux diélectriques à basse permittivité sont utilisés. Il a notamment déjà été proposé d'utiliser de l'air comme isolant. Plus précisément, il a déjà été proposé de ménager des poches d'air dans le matériau isolant interpistes séparant les pistes d'un même niveau de métallisation. Cependant, la réalisation pratique de tels circuits intégrés pose des problèmes technologiques. L'invention vise à y remédier. Plus précisément, l'invention vise à proposer un circuit intégré comportant une couche gazeuse isolante séparant totalement au moins deux pistes sélectionnées d'un niveau de métallisation de rang i. En d'autres termes, selon l'invention, il n'existe plus entre ces deux pistes sélectionnées de matériau résiduel isolant, par exemple du dioxyde de silicium, autre que le gaz. Pour atteindre cet objectif, on réalise la couche de gaz seulement après avoir réalisé le niveau de métallisation de rang i+1. Avec le procédé selon l'invention, tous les problèmes de réalisation tels que perçage d'une poche de gaz déjà réalisée puis intrusion de métal dans cette poche de gaz ou gravure de plots d'interconnexion (contacts ou vias) sont éliminés puisque le niveau supérieur est déjà réalisé. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on réalise ledit niveau de métallisation de rang i en insérant un matériau sacrificiel entre les pistes sélectionnées de ce niveau. On réalise, dans le matériau isolant interpistes séparant les pistes du niveau de métallisation de rang i+l, et dans le matériau isolant intervias séparant les plots d'interconnexion (vias) du niveau d'interconnexion de rang i+l, des cheminées débouchant dans ledit matériau sacrificiel. Et, on élimine ledit matériau sacrificiel à travers lesdites cheminées. En d'autres termes, les cheminées servent de voie d'évacuation de la couche sacrificielle pour son élimination par exemple par traitement thermique ou attaque par voie chimique en fonction du matériau utilisé. Bien entendu, les cheminées sont placées en nombre minimum aux endroits où il est nécessaire de ménager une voie d'évacuation. L'invention permet également la réalisation de couches gazeuses sur plusieurs niveaux. Ces niveaux peuvent être des niveaux de métallisation ou des niveaux de vias. Ainsi, selon une première variante de l'invention, préalablement à l'élimination du matériau sacrificiel, on grave le matériau isolant interpistes et au moins une partie du matériau isolant intervias située de part et d'autre d'une cheminée. Après élimination du matériau sacrificiel au niveau de rang i, on insère du matériau sacrificiel dans les cavités résultant de ladite opération de gravure, ces cavités étant situées au niveau de métallisation du rang i+l et au niveau d'interconnexion de rang i+l. Ceci étant, avec cette variante de mise en oeuvre, il y a peu de sélectivité entre les attaques du matériau isolant intervias et interpistes, et l'attaque du matériau sacrificiel. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose une autre variante de mise en oeuvre dans laquelle on réalise entre le niveau d'interconnexion de rang i+l et le niveau de métallisation de rang i+l, une couche de masque dur que l'on grave localement à l'endroit des futures cheminées. La gravure d'une cheminée comporte alors une gravure du matériau isolant interpistes avec arrêt sur la couche de masque dur, puis une gravure du matériau isolant intervias à travers l'ouverture de la couche de masque dur de façon à ménager ladite cheminée. Et, on insère du matériau sacrificiel dans les cavités résultant de cette opération de gravure, ces cavités étant situées au niveau de métallisation de rang i+l et au niveau d'interconnexion de rang i+l. Le gaz utilisé pour la couche gazeuse isolante peut être de l'air ou bien un gaz neutre, ou encore du vide. L'invention a également pour objet un circuit intégré comportant une couche gazeuse isolant séparant totalement au moins deux pistes d'un niveau de métallisation du circuit. Ce circuit peut comporter des couches gazeuses isolantes séparant totalement des pistes sélectionnées d'au moins deux niveaux de métallisation de rangs différents. Il peut également comporter une couche gazeuse isolante séparant totalement au moins deux plots d'interconnexion (vias) d'un niveau d'interconnexion du circuit. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisation et de mise en oeuvre, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 et 2 illustrent schématiquement un premier mode de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention ; - les figures 3 à 6 illustrent schématiquement une première variante de l'invention permettant la réalisation de couches gazeuses sur plusieurs niveaux du circuit intégré ; et - les figures 7 à 10 illustrent schématiquement une deuxième variante de l'invention permettant également la réalisation de couches gazeuses sur plusieurs niveaux du circuit intégré. Sur la figure 1, la référence Mi désigne un niveau de métallisation de rang i au sein duquel on réalise des pistes métalliques ou lignes. Sur la figure 1, on a représenté à titre d'exemple trois lignes Ll, L2, L3. La référence Mi, désigne le niveau de métallisation immédiatement supérieur, c'est-à-dire de rang i+l. Sur ce niveau de métallisation de rang i+l, on a représenté trois lignes L4, L5, L6. La référence Vi+l désigne le niveau d'interconnexion ou de vias de rang i+l, c'est-à-dire le niveau des vias (plots d'interconnexion) qui relie les pistes ou lignes du niveau Mi aux pistes ou lignes du niveau Mi+,. On a représenté, à titre d'exemple, deux plots d'interconnexion ou vias V3 et V4 reliant les lignes LI et L2 aux lignes L4 et L5. De même, on a représenté deux vias VI et V2 du niveau d'interconnexion de rang i, Vi' Le niveau de vias Vi est réalisé de façon classique. Plus précisément, les vias sont séparés par un matériau isolant intervias ILDi, par exemple du dioxyde de silicium. Puis, on réalise le niveau de métallisation Mi en utilisant non pas un matériau isolant interpistes classique tel que du dioxyde de silicium, mais en utilisant un matériau sacririciel MSi. Comme exemples de matériaux sacrificiels, on peut citer tout polymère ou résine photosensible éliminable par traitement thermique ou par développement, un matériau décomposable dans une atmosphère oxydante tel que du polygermanium, un matériau diélectrique qui possède une attaque sélective par rapport au nitrure de silicium SiN ou au dioxyde de silicium. Si le matériau sacrificiel MSi est compatible avec un procédé du type damascène, bien connu de l'homme du métier, on peut alors réaliser le niveau Mi de façon classique selon le procédé damascène, c'est-à-dire en déposant d'abord une couche du matériau MSi, puis en gravant les emplacements des lignes et en remplissant les lignes par du métal. Si le matériau sacrificiel MSi n'est pas compatible avec un procédé damascène, on peut réaliser le niveau de métallisation Mi de façon classique en utilisant comme matériau isolant interpistes du dioxyde de silicium SiO2, puis en substituant ce dioxyde de silicium disposé entre les lignes Ll, L2, L3 par le matériau sacrificiel MSi. La réalisation du niveau de vias viz et du niveau de métallisation Mi+l se poursuit de façon classique et connue en soi par l'homme du métier. Les vias V3 et V4 sont séparés par un matériau isolant intervias ILD, par exemple du dioxyde de silicium et les lignes L4, L5 et L6 sont séparées par un matériau isolant interpistes IMDi+l, par exemple également du dioxyde de silicium. Une fois que le niveau de métallisation Mi+l est réalisé, on ménage, comme illustré sur la figure 2, des cheminées CH 1, CH2, CH3 par exemple, qui s'étendent dans le matériau isolant interpistes IMD1+1'puis dans le matériau isolant intervias ILD, pour déboucher dans le matériau sacrificiel disposé au niveau de métallisation Mi. Ces cheminées sont réalisées par gravure et vont servir de voie d'évacuation pour le matériau sacrificiel. En effet, une fois ces cheminées réalisées, on élimine le matériau sacrificiel MSi, par exemple par traitement thermique ou attaque par voie chimique en fonction du matériau utilisé, de façon à laisser subsister entre les pistes du niveau de métallisation Mi des couches totales d'air. Il convient de noter que dans l'exemple décrit ici, on remplace par de l'air le matériau sacrificiel situé entre toutes les lignes du niveau de métallisation Mi. Ceci étant, on peut sélectionner des régions spécifiques du circuit intégré pour lesquelles on souhaite remplacer une couche d'air entre deux pistes métalliques. Il convient également de noter que sur la figure 2, la couche d'air située entre les couches L2 et L3 a été obtenue par évacuation du matériau sacrificiel par une cheminée qui ne se situait pas dans le plan de la figure 2. On fait maintenant référence plus particulièrement aux figures 3 à 6 pour illustrer une première variante de l'invention permettant la réalisation de couches d'air sur plusieurs niveaux du circuit intégré. Ceci étant, à des fins de simplification, on ne représentera sur ces figures qu'une seule cheminée. Sur la figure 3, on a représenté également les couches classiques d'encapsulation ECSi et ECSi+l des niveaux de métallisation Mi et Mi+,. Ces couches n'ont pas été représentées sur la figure 1 à des fins de simplification. Une fois que l'ensemble des niveaux représentés sur la figure 3 été réalisé, de façon déjà décrite en référence aux figures précédentes, avec notamment la substitution du matériau isolant interpistes par le matériau sacrificiel MSi, on procède à une gravure, par exemple une gravure ionique réactive (gravure RIE) de façon à ménager la cheminée CH2 dans la couche de capsulation ECSi+l, dans le matériau isolant interpistes IMDi+l, dans le matériau intervias ILDi+l et dans la couche d'encapsulation ETCS.. Cette cheminée CH2 débouche dans le matériau sacrificiel MSi' Puis, comme illustré sur la figure 4, on procède à une gravure isotrope qui permet d'éliminer le matériau isolant interpistes IMDi+l et au moins une grande partie du matériau isolant intervias ILDI+1. Par contre, comme on le voit sur la figure 4, en utilisant ce procédé, il y a peu de sélectivité entre les attaques de l'oxyde isolant IMDi+l et ILDi+l et l'attaque du matériau sacrificiel MSi. En d'autres termes, la cavité formée par ces gravures débouche assez largement dans le matériau sacrificiel. On élimine ensuite le matériau sacrificiel comme illustré sur la figure 5, puis on réinsère du matériau sacrificiel MS dans la cavité résultant des opérations de gravure précédentes, au niveau de métallisation Mi+l et au niveau d'interconnexion V. On procède ensuite à un polissage mécanochimique du matériau MS puis à l'encapsulation par la couche ECS+l. Sur la figure 6, on a supposé que le matériau MS ne pénétrait pas entre les lignes LI et L2 du niveau de métallisation Mi. Ceci étant, dans certaines configurations, il n'est pas impossible que du matériau sacrificiel pénètre entre les lignes du niveau de métallisation Mi. Mais, ceci n'a guère d'importance car ce matériau sacrificiel MS sera éliminé lors de l'élimination du matériau MS situé au niveau Mi+ et au niveau V, une fois que le niveau de métallisation Mi+2 aura été réalisé. Pour remédier au désavantage de la faible sélectivité entre les attaques de l'oxyde interpistes et intervias et l'attaque du matériau sacrificiel, on peut utiliser une gravure ionique réactive (RIE) ou bien le mode de mise en oeuvre illustré sur les figures 7 à 10. Ce mode de mise en oeuvre diffère essentiellement de celui illustré sur les figures 3 à 6 par le fait qu'on dispose entre le niveau Vi+l et le niveau de métallisation Mi+l une couche de masque dur MD, par exemple en nitrure de silicium SiN ou bien en SiC. Ainsi, après avoir réalisé le niveau Vu+,, on dépose la couche de masque dur MD que l'on grave de façon à ménager une ouverture OUV à l'endroit de la future cheminée. Puis, on réalise de façon classique le niveau de métallisation Mi+1- A l'étape suivante, comme illustré sur la figure 8, on effectue une gravure, par exemple une gravure isotrope ou ionique réactive, de l'oxyde IMDi+l entre les lignes du niveau de métallisation Mi+l avec arrêt sur la couche de masque dur, puis on grave la cheminée CH à travers l'ouverture ouv. Le reste du procédé s'effectue comme décrit précédemment. Plus précisément, comme illustré sur la figure 9, on élimine le matériau sacrificiel MSi de façon à ménager la couche d'air puis, comme illustré sur la figure 10, on redépose du matériau sacrificiel au niveau Mi+l et au niveau V. Ce matériau sacrificiel sera à son tour éliminé comme décrit précédemment après réalisation du niveau de métallisation Mi+l. Lors de cette élimination, on éliminera également du matériau sacrificiel MS qui serait éventuellement tombé entre les lignes LI et L2 du niveau Mi. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et de mise en oeuvre qui viennent d'être décrits, mais en embrasse toutes les variantes. Ainsi, les cheminées peuvent être rebouchées par une couche de dioxyde de silicium. Les niveaux d'air d'un niveau à l'autre ne communiquent alors pas. L'élimination du matériau sacrificiel peut être faite après l'empilement de tous les niveaux, pour autant que l'on ait prévu une disposition ordonnée des cheminées d'un niveau à l'autre. Le matériau sacrificiel peut être utilisé entre les lignes, entre les vias ou les deux, de façon à ménager des couches d'air aussi bien entre des vias qu'entre des lignes d'un niveau de métallisation. Le procédé selon l'invention permet ainsi notamment d'intégrer des couches d'air dans les zones sélectionnées uniquement du circuit intégré, par exemple dans des régions particulièrement denses des lignes métalliques, entre des lignes de propagation ou d'environnement des éléments passifs du circuit intégré. Enfin, le procédé selon l'invention et notamment le fait de réaliser la couche gazeuse au niveau de rang i seulement après avoir réalisé le niveau de rang i+1, permet également avantageusement la réalisation d'un circuit intégré comportant une couche gazeuse isolante séparant partiellement au moins deux pistes sélectionnées du niveau de rang i. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un circuit intégré comportant une couche gazeuse isolante séparant totalement au moins deux pistes sélectionnées d'un niveau de métallisation de rang i (Mi), dans lequel on réalise ladite couche gazeuse seulement après avoir réalisé le niveau de métallisation de rang i+1 (Mi+l). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise ledit niveau de métallisation de rang i en insérant un matériau sacrificiel (MSi) entre les pistes sélectionnées de ce niveau, par le fait qu'on réalise, dans le matériau isolant interpistes (IMDi+l) séparant les pistes du niveau de métallisation de rang i+1 et dans le matériau isolant intervias (ILDi+l) séparant les plots d'interconnexion du niveau d'interconnexion de rang i+1, des cheminées (CH) débouchant dans ledit matériau sacrificiel, par le fait qu'on élimine ledit matériau sacrificiel (MSi) à travers lesdites cheminées. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que préalablement à l'élimination du matériau sacrificiel, on grave le matériau isolant interpistes et au moins une partie du matériau isolant intervias situés de part et d'autre d'une cheminée, et par le fait qu'apès élimination dudit matériau sacrificiel au niveau de rang i, on insère du matériau sacrificiel (MS) dans certaines au moins des cavités (CV) situées au niveau de métallisation de rang i+1 et au niveau d'interconnexion de rang i+1 et résultant de ladite opération de gravure. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'on réalise entre les niveau d'interconnexion de rang i+l et le niveau de métallisation de rang i+1 une couche de masque dur (MD) que l'on grave localement à l'endroit des futures cheminées, et par le fait que la gravure d'une cheminée comporte une gravure du matériau isolant interpistes avec arrêt sur la couche de masque dur puis une gravure du matériau isolant intervias à travers l'ouverture de la couche de masque dur de façon à ménager ladite cheminée, et par le fait qu'on insère du matériau sacrificiel (MS) dans certaines au moins des cavités situées au niveau de métallisation de rang i+1 et au niveau d'interconnexion de rang i+1 et résultant de ladite opération de gravure. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la couche gazeuse est une couche d'air ou de gaz neutre. 6. Circuit intégré, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche gazeuse isolante séparant totalement au moins deux pistes d'un niveau de métallisation du circuit (LI, L2). 7. Circuit intégré selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte des couches gazeuses isolantes séparant totalement des pistes sélectionnées d'au moins deux niveaux de métallisation de rangs différents (Mi, M). 8. Circuit intégré selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait qu'il comporte une couche gazeuse isolante séparant totalement au moins deux plots d'interconnexion d'un niveau d'interconnexion du circuit (Vi+l). 9. Circuit intégré selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que la ou les couches gazeuses sont des couches d'air ou de gaz neutres.