Brevet FR2910172A1 — publié le 20080620

Division de la demande de brevet déposée le 15 décembre 2006, sous le numéro 06 55558 B06-3792FR/DIV - GBO/EVH Société Anonyme dite : STMicroelectronics SA Procédé de réalisation d'un élément diélectrique poreux et élément diélectrique correspondant Invention de : Simon JEANNOT Laurent FAVENNEC 2910172 2 Procédé de réalisation d'un élément diélectrique poreux et élément diélectrique correspondant La présente invention concerne les éléments diélectriques, notamment mais non exclusivement les éléments diélectriques poreux à faible constante diélectrique destinés par exemple à être incorporés au sein de circuits intégrés. Afin de réduire les temps de propagation des informations dans les interconnexions (lignes métalliques, vias, ...) des circuits intégrés, il est intéressant d'utiliser des matériaux à faible constante diélectrique (ou permittivité relative), typiquement inférieure à 4,0, pour isoler ces interconnexions métalliques. De plus, un matériau à constante diélectrique faible favorise le découplage entre les différentes lignes. Une façon de diminuer la constante diélectrique d'un matériau diélectrique est de réaliser ce matériau sous forme poreuse. En effet, la présence dans les pores de gaz dont la constante diélectrique, égale à 1, est la plus faible possible, permet de diminuer la constante diélectrique globale du matériau poreux. Un procédé connu de réalisation d'un matériau poreux consiste à réaliser un matériau hybride comprenant d'une part une matrice de SiWOXCyHZ et d'autre part des inclusions organiques de taille nanométrique, puis à dégrader, par un traitement thermique seul ou bien assisté par un rayonnement ultraviolet ou par un faisceau d'électrons, les inclusions organiques afin d'obtenir le matériau poreux final. Selon un mode de mise en oeuvre, il est proposé un procédé de réalisation d'un matériau diélectrique poreux ne nécessitant pas d'étape de traitement thermique. Selon un premier aspect, il est proposé un procédé de réalisation d'un élément diélectrique poreux comprenant : a) la formation d'au moins un premier matériau diélectrique et d'au moins un deuxième matériau dispersé dans le premier matériau, et 2910172 3 b) le retrait du deuxième matériau, ce retrait comprenant une étape de dissolution chimique. La dégradation du deuxième matériau comprenant une dissolution chimique, le procédé permet d'éviter une étape de 5 traitement thermique. L'élément diélectrique poreux présente par exemple une constante diélectrique inférieure ou égale à 3,0. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier matériau est perméable à l'acide fluorhydrique et aux produits de dissolution du 10 deuxième matériau par l'acide fluorhydrique, et le retrait du deuxième matériau comprend une étape de dissolution du deuxième matériau par un fluide contenant de l'acide fluorhydrique. Le fluide contenant l'acide fluorhydrique peut être par exemple une solution d'acide fluorhydrique de concentration comprise entre 15 0,01% et 100%. L'acide fluorhydrique est d'ores et déjà utilisé en microélectronique pour d'autres types d'applications telles que la gravure, et sa manipulation est maîtrisée. Son utilisation pour la réalisation d'un matériau poreux est donc aisée. 20 Le fluide contenant de l'acide fluorhydrique comprend par exemple au moins un des composés choisis dans le groupe formé par : acide fluorhydrique liquide, acide fluorhydrique gazeux, acide fluorhydrique dilué dans du dioxyde de carbone supercritique. Le deuxième matériau comprend avantageusement des liaisons 25 silicium-oxygène. En effet, l'acide fluorhydrique s'attaquant principalement aux liaisons silicium-oxygène, la réalisation du deuxième matériau avec de telles liaisons permet de le dégrader aisément et d'obtenir un élément final poreux. Le deuxième matériau comprend par exemple au moins un des 30 matériaux choisis dans le groupe formé par SiO2, SiWOXCyHZ et des siloxanes. Le premier matériau diélectrique est avantageusement choisi de manière à présenter une faible constante diélectrique, par exemple inférieure à 3,5. De plus, le premier matériau est avantageusement 2910172 4 résistant et perméable à la fois à l'acide fluorhydrique et aux résidus de dissolution du deuxième matériau par l'acide fluorhydrique. Selon un mode de mise en oeuvre, le premier matériau ne contient pas de liaison silicium-oxygène afin de ne pas être dégradé 5 durant le traitement à l'acide fluorhydrique. On peut choisir ainsi un premier matériau exempt d'atome d'oxygène et ne contenant par exemple que des atomes de silicium, carbone et hydrogène, ou bien un premier matériau exempt d'atome de silicium. Le premier matériau peut comprendre ainsi un matériau 10 diélectrique choisi dans le groupe formé par SiXCyHZ et une résine diélectrique hydrocarbonée ne contenant pas d'atome de silicium telle que celle connue par l'homme du métier sous la dénomination SiLK. Le volume du deuxième matériau lors de la première étape du procédé permet de définir le volume de gaz dans l'élément diélectrique 15 poreux. Le gaz ayant la constante diélectrique la plus faible, c'est-à-dire 1, plus son volume dans l'élément diélectrique poreux sera important, plus la constante diélectrique dudit élément diélectrique poreux sera faible. La proportion en volume du deuxième matériau dans la 20 formation du premier matériau et du deuxième matériau est avantageusement comprise entre 10 % et 40 %. Selon un autre aspect, il est proposé un élément diélectrique poreux comprenant un matériau diélectrique exempt de liaison silicium-oxygène et des poches gazeuses dispersées dans le matériau 25 diélectrique. La porosité est avantageusement supérieure à 10%, par exemple comprise entre 10% et 40%. Le matériau diélectrique est par exemple exempt d'atome d'oxygène et/ou exempt d'atome de silicium. 30 Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comprenant un élément diélectrique poreux tel que défini ci-avant. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée des modes de mise 2910172 5 en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 illustre d'une façon très schématique les principales étapes d'un mode de mise en oeuvre du procédé, - les figures 2 et 3 représentent respectivement un exemple d'élément diélectrique avant dissolution et après dissolution à l'acide fluorhydrique, et - la figure 4 représente un exemple de circuit intégré comprenant un élément diélectrique poreux. La figure 1 reprend de façon schématique les principales étapes de mise en oeuvre d'un procédé permettant la réalisation d'un élément diélectrique poreux. Plus précisément, le procédé de la figure 1 comporte une étape 1 de formation d'un premier matériau et d'un 15 deuxième matériau dispersé dans le premier matériau, et une étape 2 de retrait du deuxième matériau par dissolution chimique. L'étape 1 de formation du premier matériau et du deuxième matériau peut être réalisée par exemple par un dépôt par PECVD (en anglais : plasma enhanced chemical vapor deposition ) ou par 20 centrifugation ( spin-on selon une dénomination anglaise bien connue de l'homme du métier) sur un support, par exemple un substrat de silicium. L'étape 2 de retrait par dissolution peut faire intervenir, par exemple, une solution d'acide fluorhydrique couramment utilisées dans l'industrie électronique et dont la manipulation ne pose pas de 25 difficulté particulière. Bien que l'acide fluorhydrique soit intéressant en raison de sa manipulation classique dans le domaine de la microélectronique, on pourrait également utiliser d'autres fluides, tels qu'une solution contenant de l'acide phosphorique H3PO4 à une concentration comprise 30 entre 0,01% et 100%, ou bien encore une solution contenant de l'acide fluorhydrique tamponné à une concentration comprise entre 0,01% et 100%, par exemple une solution contenant du fluorure d'ammonium NH4F et connue de l'homme du métier sous la dénomination BOE. 5 10 2910172 6 La figure 2 représente un élément diélectrique 3 formé sur un substrat de silicium 4, avant le retrait du deuxième matériau. L'élément diélectrique 3 comprend ainsi d'une part, un premier matériau 5, présentant de préférence une constante diélectrique faible, 5 et d'autre part des inclusions d'un deuxième matériau 6. Le premier matériau 5 est par exemple du SiXCyHz amorphe : il est à la fois résistant et perméable à l'acide fluorhydrique, et présente une constante diélectrique inférieure à 3,5. Pour le deuxième matériau 6, on peut choisir du SiWOXCyHZ qui présente des liaisons silicium- 10 oxygène. Selon un mode de mise en oeuvre, la formation de l'élément diélectrique 3 se fait par dépôt par PECVD. On utilisera alors par exemple un bâti de type capacitif plan tel qu'une chambre DxZ d'une Centura 5200 de AMAT. Les paramètres utilisés seront alors : un 15 espace entre électrodes compris entre 200 mm et 600 mm, une excitation de type radiofréquence à 13,56 MHz, une puissance comprise entre 100 et 900 Watts, une température située entre 100 C et 300 C, et une pression entre 2 et 10 Torrs. Les précurseurs utilisés sont de deux types : le premier 20 précurseur est un précurseur organo-silicié de type SiXCyHz contenant au moins un groupement phenyle et pas d'atome d'oxygène, par exemple du diméthylphénylsilane, et permet de former le premier matériau 5 présentant une constante diélectrique faible. Le deuxième précurseur est un précurseur organo-silicié de type SiWOXCyHz pour 25 former le deuxième matériau 6, et contient au moins une liaison silicium-oxygène, par exemple du tétraéthylorthosilicate. En utilisant des débits compris entre 50 et 1000 cm3/minute, il est alors possible d'obtenir un élément diélectrique 3 constitué d'une phase majoritaire d'un premier matériau 5 sans liaison silicium-oxygène et d'une phase 30 minoritaire, ou sacrificielle, de deuxième matériau 6 avec liaisons silicium-oxygène. La phase minoritaire du deuxième matériau 6 est dispersée de façon homogène dans la phase majoritaire du premier matériau 5. La proportion de la phase minoritaire par rapport à 2910172 7 l'ensemble de la phase minoritaire et majoritaire, peut être comprise entre 10 % et 40 %. L'élément diélectrique 3 ainsi obtenu présente alors un indice de réfraction, à 632 nm, compris entre 1, 4 et 1,9 et à une stabilité 5 thermique comprise entre 300 et 400 C. I1 peut être caractérisé par différentes techniques, par exemple par ellipsométrie, par FTIR (transformée de Fourier dans l'infrarouge) ou encore par XPS (spectrophotométrie par rayons X), afin de déterminer la proportion du premier matériau et du deuxième matériau. 10 Selon un autre mode de mise en oeuvre, l'élément diélectrique 3 peut être réalisé par centrifugation, sur un substrat de silicium 4, d'un premier matériau 5 tel que le SiLK, mélangé à des molécules contenant des liaisons silicium-oxygène, par exemple des molécules de siloxane de type décaméthycyclopentasiloxane, formant le deuxième matériau 6. 15 Le SiLK ne contient pas d'atome de silicium mais principalement des atomes de carbone et d'hydrogène, et n'est donc pas dissout par l'acide fluorhydrique. Sur la figure 3 est représenté l'élément diélectrique poreux 7 après dissolution à l'acide fluorhydrique du deuxième matériau 6 de 20 l'élément diélectrique 3 représenté sur la figure 2. L'élément diélectrique poreux 7 est constitué du premier matériau 5 ainsi que d'inclusions, ou poches, de gaz 8, de l'air dans le cas présent. Le traitement à l'acide fluorhydrique se fait par exemple par trempage dans un bain d'acide fluorhydrique aqueux avec une dilution 25 de 5 %. Le traitement permet ainsi, par exemple dans le premier mode de mise en oeuvre, de dissoudre la phase minoritaire du deuxième matériau 6 de SiWOXCyHZ dispersée dans la phase majoritaire du premier matériau 5 de SiXCyHz7 par attaque des liaisons silicium-oxygène. L'élément diélectrique poreux 7 présente alors une porosité 30 qui peut être située entre 10% et 40% et présente une constante diélectrique qui est comprise, en fonction de la porosité, entre 3,0 et 2,2. Ainsi, selon le procédé décrit ci-avant, on réalise l'élément diélectrique poreux 7 en attaquant les liaisons silicium-oxygène de 2910172 8 l'élément diélectrique 3, tandis que les procédés connus précédemment utilisaient au contraire les liaisons silicium-oxygène comme liaisons résistantes de la phase majoritaire. L'élément diélectrique poreux 7 décrit ci-avant se distingue donc des matériaux poreux à faible 5 constante diélectrique déjà connus, par sa composition. Ainsi, l'art antérieur utilise couramment des matériaux de type SiWOXCyHZ pour former la matrice, ou phase majoritaire, du matériau diélectrique poreux, alors que, dans le cas présent, le matériau SiWOXCyHZ peut être utilisé comme matériau sacrificiel, ou phase minoritaire, destiné à être 10 retiré dans un second temps. Le procédé tel que décrit ci-avant permet donc d'obtenir un élément diélectrique poreux comprenant des vides interstitiels contenant du gaz. D'autre part, le matériau formant la matrice de l'élément diélectrique, ou phase majoritaire, est exempt de liaisons 15 silicium-oxygène et présente de préférence une constante diélectrique faible. Sur la figure 4 est représenté un exemple de circuit intégré 9. Le circuit intégré 9 comprend, d'une part, un substrat SB dans lequel ont été réalisés deux zones d'isolation STI et un transistor T, et 20 d'autre part une partie d'interconnexion comprenant par exemple deux niveaux de métallisation NM1, NM2 et deux couches diélectriques inter-niveaux CD1, CD2. Le transistor T comprend de manière classique, une zone de drain D, de source S et de grille G, et la première couche diélectrique CD1 recouvrant le transistor T, est 25 traversée par des contacts W1, W2, W3. Les contacts W1, W2, W3 permettent de relier électriquement les différents éléments du transistor T aux pistes métalliques Pl, P2, P3 du niveau de métallisation NM1, et sont isolés entre eux par le matériau de la couche diélectrique CD1, par exemple un matériau diélectrique poreux 30 tel que celui décrit à la figure 3. L'isolation inter-pistes ISP1 située au niveau NM1 peut être réalisée également avec un matériau diélectrique poreux tel que décrit précédemment. 2910172 9 La deuxième couche diélectrique CD2 est située au dessus du niveau de métallisation NM1 et est elle-même recouverte par le deuxième niveau de métallisation NM2. Le niveau de métallisation NM2 comprend une piste métallique P4 reliée par exemple à la piste 5 métallique P3 par un via V4 traversant la couche diélectrique CD2. Le matériau formant la couche diélectrique CD2 et/ou l'isolation interpistes ISP2 du deuxième niveau de métallisation NM2 peut, là-encore, être choisi parmi les matériaux à faible constante diélectrique, et peut dans le cas présent être formé par un matériau diélectrique poreux tel 10 que décrit précédemment. Lorsque plusieurs couches diélectriques et/ou isolations inter-pistes de la partie d'interconnexion sont réalisées en matériau diélectrique poreux tel que décrit précédemment, l'étape 2 de retrait par dissolution chimique peut être réalisée : 15 - soit après l'étape 1 de formation de chaque couche diélectrique ou isolation inter-pistes, - soit après plusieurs étapes 1 de formation de couches diélectriques et/ou isolations inter-pistes, l'étape 2 de retrait par dissolution chimique étant alors commune à l'ensemble 20 de ces couches diélectriques et/ou isolations inter-pistes. Le matériau poreux à faible constante diélectrique formant l'isolation inter-niveaux et/ou inter-pistes permet alors de diminuer d'une part le temps de propagation de l'information dans les pistes et d'autre part le couplage inter-pistes (en anglais crosstalk ). 25 REVENDICATIONS 1. Elément diélectrique poreux (7) comprenant un matériau diélectrique (5) exempt de liaison silicium-oxygène et des poches gazeuses (8) dispersées dans le matériau diélectrique (5). 2. Elément diélectrique poreux (7) selon la revendication 1 présentant une porosité supérieure à 10%. 3. Elément diélectrique poreux (7) selon la revendication 1 ou 2 dans lequel le matériau diélectrique (5) est exempt d'atome d'oxygène. 4. Elément diélectrique poreux (7) selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le matériau diélectrique (5) est exempt d'atome de silicium. 5. Circuit intégré (9) comprenant un élément diélectrique poreux (CD1, CD2, ISP1, ISP2) selon l'une des revendications 1 à 4.15