Brevet FR2837624A1 — publié le 20030926

Mandataire: Cabinet LAURENT ET CHARRAS MICRO-COMPOSANT ELECTRONIQUE INTEGRANT UNE STRUCTURE CAPACITIVE' ET PROCEDE DE FABRICATION Domaine technique L'invention se rattache au domaine technique de la micro-électronique. Elle vise plus précisément des micro- c omp os ants électroniques incorporant une ou plusieurs structures capacitives. Ces structures capacitives sont principalement destinées à étre réalisées à l'intérieur même du micro-composant, au-dessus de niveaux de métallisation directement reliés aux bornes des transistors et autres structures semi-conductrices. Ces structures capacitives peuvent étre notamment utilisées en tant que cellule de mémoire dynamique embarquée (embedded DRAM). L'invention vise plus précisément la structure d'une telle capacité en vue d'en augmenter très fortement sa "capacitance", c'est-à-dire sa capacité par unité de surface, et ce sans augmenter trop fortement ni les coûts de fabrication, ni la surface utilisée sur le micro-composant. Techniques antérieures La réalisation de micro- condens ateurs ou de structures cap acitives sur des substrats semi-conducteurs a déjà fait l'objet de certains développements. Différentes technologies ont déjà été proposées, notamment celles qui 2s permettent de réaliser des structures capacitives constituées de deux électrodes formées par des couches métalliques, séparées par une couche de matériau isolant ou diélectrique. Ce type de capacités est généralement qualifié de structure "MIM", pour "Métal Isolant Métal". L'invention se rattache plus particulièrement à ce type de structure capacitive. Parmi les solutions existantes, celle décrite dans le document FR 2 801 425 concerne un micro-condensateur dont les deux électrodes sont formées par des couches métalliques planes. Dans ce cas, la valeur de la capacité du condensateur est essentiellement fonction du type de matériau diélectrique utilisé, ainsi que de la surface en regard des deux électrodes métalliques. Autrement dit, la "capacitance", ou la capacité par unité de surface, est fxée de façon prépondérante par l'épaisseur de la couche isolante et sa permittivité relative. Ainsi, pour augmenter la valeur de capacitance, il est nécessaire soit de choisir des matériaux de très forte permittivité relative, soit de réduire les distances entre les électrodes, avec le risque d'apparition de phénomènes de claquage, voire d'effets tunnel. Autrement dit, les condensateurs réalisés selon la structure décrite dans ce document sont limités en terme de capacitance. Le Déposant a décrit dans la demande de brevet français No. 02.01618, une nouvelle structure de capacité réalisée sur un niveau de métallisation d'un composant électronique. Chaque électrode de cette structure capacitive comporte une pluralité de lamelles qui sont perpendiculaires au plan principal du substrat. Le Déposant a également décrit dans la demande de brevet français No. 02. 02461, une autre structure de capacité comportant un empilement de lamelles métalliques superposées, et décalées les unes par rapport aux autres, les parties en contact formant un tronc commun. Un des objectifs de l'invention est de proposer une structure capacitive qui puisse 8tre réalisée sur le dernier niveau de métallisation apparent d'un micro- composant électronique, et qui possède une valeur de capacitance supérieure aux valeurs habituellement observées. Exposé de l' invention L'invention concerne donc un micro-composant électronique réalisé à base d'un substrat, et intégrant une structure capacitive réalisée au-dessus d'un niveau de métallisation apparent présent sur le substrat. Une telle structure capacitive comporte deux électrodes et se caractérise en ce que: - la première électrode comporte une pluralité de lamelles métalliques empilées les unes au-dessus des autres, et séparées les unes des autres par des tronçons de moindre largeur réalisés à partir du même métal, formant avec les portions des lamelles métalliques qui les recouvrent un tronc central, - la seconde électrode recouvre la première électrode en comportant une pluralité de lamelles intercalées entre les lamelles de la première électrode. Autrement dit, la première électrode forme une structure arborescente comportant un tronc central à partir duquel s'étendent des lamelles situées de chaque côté. La seconde électrode recouvre la première en formant une pluralité de 1S lamelles qui sont intercalées entre les extrémités des lamelles de la première électrode. La surface en regard de chacune des électrodes est donc particulièrement élevée. Pour une même surface occupée sur le substrat, cette surface en regard peut étre accrue en augmentant le nombre de lamelles de chaque électrode, ce qui permet donc d' augmenter la capacitance à souhait. En pratique, les capacités conformes à l'invention présentes d'excellentes propriétés électriques et notamment lorsque l'on utilise un des métaux de très forte conductivité, présentant une résistivité inférieure à 5 Q.cm. Les avantages d'une très faible résistivité se traduisent notamment par un faible échauffement de la structure capacitive en mode dynamique, ainsi qu'un bon fonctionnement à haute fréquence, et une conductivité thermique appréciable. En pratique, les électrodes sont séparées par une couche diélectrique réalisée à partir de matériaux qui sont avantageusement choisis dans le groupe des oxydes ferroélectriques et/ou pyroélectriques. Parmi ces oxydes ferroélectriques, on connat le dioxyde d'Haînium, le pentoxyde de Tantale, le dioxyde de Zirconium, les oxydes de Lanthane, le trioxyde de di-Yttrium, l'alumine, le dioxyde de Titane, ainsi que les titanates et tantalates de Strontium (STO), les titanates de Strontium et Baryum (BST), les Tantalates de Strontium et Bismuth (SBT), ainsi que les titanates de Plomb et de zirconate de Plomb (PZT), les titanates et zirconates de Plomb dopées avec des terres rares (Lanthanides) (PLZT), les nobiates de Strontium et Bismuth (SBN), les tantalates et niobates de Strontium et Bismuth (SBTN), les cuprates de Baryum etYttrJum, les Alcalinoxydes de Manganèse Me2MnO3 Ce matériau diélectrique peut étre déposé soit en couche homogène d'un même matériau, ou d'un alliage de plusieurs de ces matériaux. Néanmoins, dans une forme prétérée, la couche diélectrique peut également être constituée de la superposition de couches élémentaires de matériaux différents formant une structure nanolaminée. Dans ce cas, chacune des couches est de très faible épaisseur, de l'ordre de quelques Angstroms à quelques centaines d' Angstroms. Dans une forme préférée, la st_chiométrie des matériaux varie d'une couche élémentaire à l'autre dans la structure nanolaminée. Ainsi, en faisant varier la stechiométrie de chaque couche, on crée des gradients de concentration d'oxygène (et des autres matériaux utilisés) à travers quelques couches atomiques. La variation de structure de bandes de chaque couche élémentaire de la structure nanolaminée a pour conséquence de modifier la structure de bande globale des alliages et des composés d'oxydes ferro et pyroélectriques à travers seulement quelques couches atomiques. On obtient de la sorte des valeurs de permittivité relative particulièrement importantes, ce qui agit en faveur de l'augmentation de la capacitance. En pratique, on préférera que la surface de chaque électrode soit recouverte d'une couche de matériau barrière à la diffusion de l'oxygène, typiquement à base de nitrure de titane, de nitrure de tungstène, de nitrure de tantale, ou bien encore s l'un des matériaux suivants: TaAlN, TiAlN, MoN, CoW ou TaSiN, des alliages des métaux de transitions avec du Bore du type TiB2, des alliages de métaux de transitions avec du Carbone du type TiC. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une telle structure capacitive. Cette structure capacitive est fabriquée sur un micro composant électronique, au- dessus d'un nive au de métallis ation réalis é dans le substrat. Conformément à l'invention, un tel procédé comporte les étapes suivantes consistant à: - déposer au-dessus du niveau de métallisation une première couche métallique destinée à former la partie basse d'une des deux électrodes de la structure capacitive, déposer au-dessus de la couche métallique une couche de matériau polymère dont la face supérieure est apte à servir de support à un dépôt métallique ultérieur, - répéter les deux étapes de dépôt précédentes de manière à obtenir un empilement de couches métalliques séparées par une couche de matériau polymère, - réaliser au centre de l'empilement une kanchée creusée jusqu'à faire apparâître la première couche métallique, - déposer dans ladite tranchée un métal identique à celui des couches empilées, de manière à obtenir une structure arborescente formant la première électrode comportant un tronc cenka1 et une pluralité de lamelles s'étendant à partir dudit tronc central, - éliminer l'ensemble des couches de matériau polymère, - - déposer sur toute la surface apparente de la première électrode un matériau dit électrique sous forme d'une structure nanolaminée, - déposer par-dessus la première électrode un matériau conducteur venant s'insérer entre les couches métalliques de la première électrode, de manière à former la seconde électrode. Description sommaire des fiaures La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures 1 à 20 annexées, qui sont des représentations schématiques en coupe de la zone supérieure d'un micro-composant électronique, et de la structure capacitive conforme à l 'invention, au fur et à mesure de s étap es du pro cédé de réalisation. Pour faciliter la description du procédé de réalisation de l'invention, l'exemple donné par la suite illustre la fabrication d'une structure capacit*e au dessus d'un niveau de métallisation, sans représentation des zones avoisinantes. Bien entendu, ces schémas ne sont donnés qu'à titre illustratif, et les dimensions des différentes couches et éléments réels intervenant dans l'invention peuvent différer de celles qui sont représentées aux figures, uniquement dans le but de faire comprendre l'invention. Manière de réaliser l'invention On décrit par la suite un procédé particulier de réalisation qui permet d'obtenir une structure de microcapacité conforme à l'invention. Certaines étapes du procédé décrit peuvent néanmoins être considérées comme accessoires ou simplement utiles et avantageuses pour améliorer certaines performances, sans étre absolument obligatoires pour rester dans le cadre de l'invention. Ainsi, une micro-capacité conformément à l'invention peut être réalisée sur un micro-composant (1) tel qu'illustré à la figure 1. Le substrat (2) de ce micro- composant comprend différents niveaux de métallisation (3) qui peuvent être reliés à des zones actives à l'intérieur du micro-composant ou bien encore à des plots d'interc onnexion déb ouchant sur la face sup érieure du sub strat. D ans la forme illustrée, il s'agit d'un niveau de métallisation situé au niveau de la face supérieure du substrat. Plus précisément, la face supérieure du substrat est recouverte d'une couche de passivation (8), typiquement en SiO2 ou SiON. 7 2837624 Ainsi, dans la première étape illustrée à la figure 1, on procède au dépôt d'une couche de résine (5) dans laquelle une ouverture (6) est définie par lithographie. Cette ouverture perrnet de procéder à la gravure localisée de la couche de passivation (8), de manière à laisser apparâître le niveau de métallisation (3) sous jacent. La gravure de la couche de passivation (8) peut, lorsque cette dernière est réalisée en SiON, être effectuée par un procédé classique de gravure chimique utilisant un mélange CF4:O2 ou CF4:H2 ou bien encore une technique de type "Reactive Ion Etching" (RIE), voire encore en utilisant un plasma radiofréquence. On procède par la suite à une étape de nettoyage permettant d'éliminer toute trace restante de SiON ou des produits utilisés pour sa gravure. Ce nettoyage peut par exemple être réalisé en utilisant une solution commercialisée sous la référence ACT 970 par la Société ASHLAND. Ce nettoyage peut être suivi d'un pré-rinçage avec dissolution de dioxyde de carbone ou d'ozone par bullage, avec un acide hydroxyle carboxylique tel que de l'acide citrique ou encore de l'acide oxalique. Par la suite, on procède au dépôt d'une couche (10) barrière à la diffusion du cuivre tel qu'illustré à la figure 2. Cette couche peut être déposée par une technique de dépôt de couches atomiques de type ALD (Atomic Layer Deposition). Une telle technique confère une bonne uniformité d'épaisseur et une excellente intégrité à cette couche barrière à la diffusion (10). Les matériaux susceptibles d'être utilisés pour réaliser cette couche barrière à la diffusion peuvent être du nitrure de titane ou du nitrure de tungstène, du nitrure de tantale, ou bien un des matériaux suivants: TiN, Ta, TaN, W. WN, Mo, MoN, TiW, TiWN, Os, Re, Rh, Ru. Par la suite, on dépose également une couche amorce de cuivre de manière à permettre un dépôt ultérieur par des techniques électrolytiques. Par la suite, et comme illustré à la figure 3, on procède au dépôt d'une seconde couche de résine (11) qui est ensuite insolée puis éliminée en partie pour définir un logement (12) dont le fond (13) laisse apparaitre la couche amorce de cuivre (9). Par la suite, et comme illustré à la figure 4, on procède à un dépôt S électrolytique de cuivre permettant de former la première lamelle large (14) de la première électro de Le premier dépôt électrolyti que s ' e ffectue également jusqu' au contact du niveau de métallisation (3), de manière à lier électriquement la première électrode au niveau de métallisation par le plot (15) Par la suite, et comme illustré à la figure 5, on procède à l'élimination des zones de résine définiss ant le logement qui a permis d' obtenir la première lamelle (14). Par la suite, et comme illustré à la figure 6, on procède au dépôt d'un matériau polymère (19), typiquement du polyimide. Ce matériau polymère est déposé par une technique de dépôt par rotation, également appelée "spin-on deposition". Ce dépôt est effectué sur une épaisseur correspondant sensiblement à l'espace que l' on s ouhaite former entre les l amelles successives de la première électrode. Par la suite, on procède, comme illustré à la figure 7, au dépôt d'une couche (25) de TiCu d'une épaisseur de l'ordre de 200A. Cette couche sert à la fois de couche de protection pour la couche polymérique (19), ainsi que couche amorce de cuivre. Cette couche amorce (25) est ensuite planarisée par exemple par CMP. Par la suite, et comme illustré à la figure 8, on effectue le dépôt d'une couche de résine (21). Cette couche de résine est ensuite éliminée dans une zone permettant de définir un logement pour le dépôt d'une seconde lamelle de cuivre (24), qui est obtenue par des techniques électrolytiques. On procède par la suite comme illustré à la figure 9, au dépôt d'une nouvelle couche polymérique (29). Les opérations de dépôt d'une couche métallique, et de dépôt d'une couche polymérique peuvent être répétées successivement autant de fois que souhaité. Bien entendu, le nombre de lamelles illustrées à la figure 9 est indicatif, et il est possible de réaliser des structures comportant un nombre de lamelles plus important. s Par la suite, on procède comme illustré à la figure 1O, au dépôt d'une couche de résine (16). Cette couche de résine est ensuite éliminée dans une zone centrale située à l'aplomb du futur tronc central de la première électrode. Comme illustré à la figure 11, les couches polymériques (19, 29) et la lamelle métallique (24) sont ensuite gravées pour former une ouverture (17) telle qu'illustrée à la figure 11. Cette ouverture (17) laisse apparaître la face supérieure de la première lamelle métallique (14). Par la suite, et comme illustré à la figure 12, on procède au dépôt d'une couche amorce de cuivre (35), qui recouvre la face supérieure de la couche de résine (29), et les flancs de l'ouverture (17). Par la suite, on procède au dépôt d'une couche de résine (20) sur la couche amorce (35), de manière à définir le logement de la future lamelle supérieure de la première électrode. Par la suite, et comme illustré à la figure 14, on procède au dépôt électrolytique de cuivre de manière à combler le logement (17) et former le tronc central (22) de la première électrode, ainsi que la lamelle supérieure (34). On procède ensuite à l'élimination des couches de résine ayant permis de définir la lamelle supérieure (34) de la première électrode. Par la suite, et comme illustré à la figure 13, on procède à l'élimination des différentes couches polyrnériques (19, 29). Cette élimination s'effectue par différentes techniques et notamment par des procédés couramment connus sous le terme de "ashing", en utilisant par exemple des plasma à oxygène, en combinaison avec des composition chimiques appropriées. Il est possible, mais pas obligatoire de procéder par la suite à un traitement thermique de recuit. Ce traitement peut étre effectué par lots, à une température voisine de 120 C pendant 30 minutes environ. Il est également possible de procéder à une étape de recuit rapide (RTP). Après élimination des matériaux polymériques, la structure obtenue présente les restes des couches amorce de cuivre (9, 25,35) qui avaient été déposées successivement, et qui sont situées au niveau inférieur de chaque lamelle (14,24,34). Ces différentes excroissances de couche amorce sont éliminées, comme illustré à la figure 14, par une gravure sélective du cuivre. La solution utilisée peut par exemple être à base d'ammonium persulfate (APS) à pH acide, employée à 45 C. La sélectivité importante (de l'ordre de 1:50) de cette gravure résulte notamment du fait que la structure moléculaire de la couche amorce (9, 25, 35) diffère de celle des lamelles de cuivre (14, 24, 34) déposées par voie électrolytique. On procède par la suite à un traitement thermique de recuit permettant d'homogénéiser la structure du cuivre, notamment entre les différents résidus des couches amorce, présents sous les faces inférieures des lamelles, et le reste des lamelles de cuivre. Après ce traitement chimique, on peut procéder à une étape de recuit sous hydrogène à 400 C environ, pendant environ 6 heures. Par la suite, on procède, comne illustré à la figure 15, au dépôt d'une couche (27) barrière à la diffusion de l'oxygène. Comme expliqué précédemment, cette couche (27) barrière à la diffusion de l'oxygène peut être obtenue par ALD, en utilisant un matériau choisit parmi TiN, TiW, TaN, TaAlN, TiAlN, MoN, CoW, TaSiN, des alliages des métaux de transitions avec du Bore du type TiB2, des alliages de métaux de transitions avec du Carbone du type TiC. Cette couche (27) barrière à la diffusion fait également office de couche amorce pour le dépôt des couches supérieures. Par la suite, comme illustré à la figure 16, on procède au dépôt d'une couche diélectrique constituée d'une structure nanolaminée (26). Plus précisément, la structure nanolaminée déposée est réalisée à partir de différentes couches d'oxydes feToélectriques ou pyroélectriques. Dans un exemple particulier de réalisation, la structure nanolaminée (26) peut comporter un empilement de cinq couches différentes, présentant une épaisseur d'au-moins 3 couches atomiques. À La première couche, possédant une épaisseur de S à 10 est réalisée à pardr de HfyAlzO3 x, avec x compris entre 0 et 3, y compris entre 0 et 2 et z compris entre 1 et 10. À La seconde couche présente une épaisseur de l'ordre de 4 à 15 A, et est réalisée à partir de Hfy+nAlzO3 x,avec z compris entre 0 et 2, x compris entre l+n et 3+n, y compris entre l+n et 2+n et n étant compris entre 1 et 8. À La troisieme couche présente une épaisseur de l'ordre de 4 à 20 A, et est réalisée à partir de Hfy+2nAlz nO3 x,avec z compris entre 0 et 2, x compris entre l+n et 3+n, y compris entre l+n et 2+n et n étant compris entre 1 et 8 À La quatrième couche présente une épaisseur de l'ordre de 4 à 15 A, et est réalisée à partir de Hfy+nAlzO3 x,avec z compris entre 0 et 2, x compris entre l+n et 3+n, y compris entre l+n et 2+n et n étant compris entre 1 et 8 À La cinquième couche, possédant une épaisseur de 5 à 10 est réalisée à partir de HfyAlzO3 x, avec x compris entre 0 et 3 et y compris entre 0 et 2 et z compris entre 1 et 10. La structure nanolaminée ainsi obtenue présente une épaisseur comprise entre et 200 . La permittivité relative de cette couche est de l'ordre de 18. Bien entendu, la structure nanolaminée décrite ci-avant est un exemple non limitatif dans laquelle certains éléments peuvent êke substitués sans sortir du cadre de l'invention. Par la suite, on procède au-dessus de la structure nanolaminée, au dépôt d'une couche (29) barrière à la diffusion de l'oxygène similaire à celle (27) évoquée précédemment. Par la suite, et comme illustré à la fgure 17, on procède au dépôt d'une l0 couche structurante (30), typiquement obtenue en benzocycloLutène (BCB), en polyimide, en Parylène@. Cette couche structurante (30) est gravée pour définir un logement (31) autour de la première électrode (4). r On procède par la suite au dépôt d'une nouvelle couche amorce sur la surface de la première électrode (4), de manière à permettre par la suite un dépôt damascène par des techniques électrolytiques, de la seconde éleckode (7) tel qu'illustré à la figure l 6. D'éventuelles étapes supplémentaires de passivation ou de réalisation de surface de connexion sur la seconde électrode peuvent être mises en _uvre. A titre d'exemple, la structure de capacité illustrée à la figure 18 peut présenter une capacitance de l'ordre de 100 nanoFarad/mm2. Dans ce cas, les lamelles présentent des dimensions de l'ordre ou inférieures au micron. Il ressort de ce qui précède que les capacités conformes à l'invention peuvent être obtenues avec des valeurs de capacitance très élevées, sans engendrer de coûts importants en ce qui concerne leur procédé de réalisation. RE VE ND I CAT I ON S 1/ Micro-composant électronique réalisé à partir d'un substrat, et intégrant une structure capacitive pouvant notamment être utilisée comme cellule de mémoire réalisée au-dessus d'un niveau de métallisation (3) présent dans le substrat (2), ladite structure capacitive comportant deux électrodes (4,7), caractérisé en ce que: - la première électrode (4) comporte une pluralité de lamelles métalliques (14,24,34) empilées les unes au-dessus des autres, et séparées les unes des autres par des tronçons (18,28) de moindre largeur réalisés à partir du méme métal, formant avec les portions des lamelles qui les recouvrent un tronc central; - la seconde éleckode (7) recouvre la première électrode (4) en comportant une pluralité de lamelles (31,32) intercalées entre les lamelles (14,24,34) de la première électrode (4). 2/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal utilisé présente un résistivité inférieure à 5 IlQ.cm. 3/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (4,7) sont séparées par une couche (26) en un matériau diélectrique choisi dans le groupe des oxydes ferro et/ou pyro-électriques. 4/ Micro-composant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de matériau diélectrique (26), est réalisce par la superposition de couches élémentaires de compositions différentes, formant une structure nanolaminée. / Micro-composant selon la revendication 4, caractérisé en ce que la st_chiométrie des matériaux varie d'une couche à l'autre de la structure nanolaminée (26) J 6/ Micro-composant selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque couche de la structure nanolaminée présente une épaisseur d'au-moins 3 couches atomiques. 7/ Procédé de réalisation d'une structure capacitive sur un micro-composant électronique, ladite structure capacitive étant réalisée au-dessus du dernier niveau de métallisation (3) apparent présent dans le substrat (2), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes, consistant à: - déposer au-dessus du niveau de métallisation (3) une première couche métallique (14) destinée à former la partie basse d'une des deux électrodes de la structure capacitive, - déposer au-dessus de la couche métallique (14, 18) une couche de matériau polymère (19) dont la face supérieure est apte à servir de support à un dépôt métallique ultérieur, - répéter les deux étapes de dépôt précédentes de manière à obtenir un empilement de couches métalliques séparées par une couche de matériau polymère, - réaliser au centre de l' empilement une tranchée creusée j us qu' à faire appara^tre la première couche métallique, - déposer dans ladite tranchée un métal identique à celui des couches empilées, de manière à obtenir une structure arborescente formant la première électrode (4) comportant un tronc central et une pluralité de lamelles (14, 24, 34) s'étendant à partir dudit tronc central, - éliminer l'ensemble des couches de matériau polymère (19, 29), - déposer sur toute la surface apparente de la première électrode un matériau diélectrique sous forme d'une structure nanolamince (26), déposer par-dessus la première électrode (4) un matériau conducteur venant s'insérer entre les couches métalliques de la première électrode, de manière à former la seconde électrode (7). Déposant: MEMSCAP