Brevet FR2907598A1 — publié le 20080425

Procédé de fabrication d'un circuit intégré comprenant des cavités d'air. Domaine technique de l'invention L'invention concerne un procédé de fabrication d'un circuit électronique intégré comprenant une première couche formée par une alternance de 10 zones en un matériau prédéterminé et de cavités d'air, disposée sous une couche de matériau diélectrique, les cavités étant initialement remplies d'un matériau sacrificiel qui est ensuite retiré à travers la couche en matériau diélectrique. 15 État de la technique De nos jours, les circuits électroniques intégrés présentent une proportion non négligeable d'éléments métalliques. Ces derniers peuvent être utilisés 20 en tant qu'éléments d'interconnexions, antennes, bobines ou inductances. Avec la réduction des distances séparant les couches métalliques, les couplages électrostatiques ou électromagnétiques augmentent entre ces éléments, ce qui à pour effet de modifier leur comportement électrique. D'une manière générale, ces couplages électrostatiques sont modélisés par 25 l'apparition d'au moins une capacité parasite entre les éléments métalliques. La réduction du couplage passe par une diminution de la permittivité diélectrique du matériau se trouvant entre lesdits éléments métalliques. Pour les générations actuelles de circuits intégrés, l'utilisation de matériaux 30 diélectriques à faible permittivité (de l'ordre de 2,3 ù 2,7) est compatible avec les performances visées. Ces diélectriques à faible permittivité remplacent 2907598 2 avantageusement les oxydes de silicium. Cependant pour les générations technologiques à venir (noeuds inférieurs à 32nm) les besoins en performances sont nettement supérieures à la faible amélioration de la permittivité actuellement mesurée sur les matériaux massifs déposés. 5 L'utilisation de cavités d'air ( Air Gap en anglais) dans les structures d'interconnexions semble aujourd'hui inévitable. Avec de telles architectures, les cavités d'air présentes entre les lignes de conducteurs apportent des permittivités égales à 1. io Actuellement, une voie possible pour la fabrication de ces cavités est l'utilisation d'un dépôt non-conforme de diélectrique sur des couches d'inter-lignes de matériau métallique. Cette approche permet d'obtenir, sous certaines conditions de fabrication et avec un surplus d'étapes technologiques complexes et coûteuses, les cavités recherchées. Une autre 15 solution envisagée consiste à intégrer un matériau sacrificiel entre les motifs en matériau métallique formant ainsi le niveau intermétallique. Ce matériau réagit après son intégration au moyen de divers procédés physico-chimiques (recuit thermique, traitement par rayonnement UV, ou attaque chimique). De cette manière, il est possible de réaliser tout ou partie de l'intégration des 20 niveaux d'interconnexions avec le matériau sacrificiel, puis, une fois achevé de former les cavités d'air. Cependant, cette approche limite fortement l'étendue des matériaux utilisables lors de l'intégration. Le matériau sacrificiel qui doit laisser place à la cavité doit en effet être compatible avec la technologie des semi-conducteurs, être dégradable et tout comme son 25 retrait, les procédés physico-chimiques utilisés ne doivent pas détériorer les dispositifs électroniques déjà intégrés (transistors CMOS, capacités...). De même, les matériaux jouxtant le matériau sacrificiel doivent présenter une tenue aux procédés physico-chimiques susmentionnés, afin de ne pas s'altérer, mais certains de ces matériaux doivent permettre la dégradation et 30 le retrait du matériau sacrificiel en étant, par exemple, perméables aux multiples processus chimiques. 2907598 Objet de l'invention 5 L'objet de l'invention consiste à réaliser un enchaînement d'étapes technologiques visant à pallier les inconvénients précités. Plus particulièrement, l'invention a pour but un procédé de fabrication moins complexe et moins coûteux. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : Les figures 1 à 4 représentent les étapes successives d'un procédé selon l'invention. Les figures 5 à 9 représentent les étapes d'une variante du procédé selon l'invention. La figure 10 illustre, en vue de dessus, un réseau de trous formé dans un copolymère dibloc de type connu. La figure 11 illustre, en coupe, de façon schématique, une variante du 25 procédé selon l'invention. Description d'un mode préférentiel de l'invention 30 Dans le mode particulier de réalisation illustré sur la figure 1, un ensemble de dispositifs électroniques actifs, par exemple des transistors CMOS, est 3 2907598 4 disposé sur un substrat 1, par exemple du silicium. Cet ensemble de dispositifs est illustré très schématiquement par une couche 2 et est réparti sur le substrat 1 de manière prédéfinie. Sur cette couche 2, est disposée une couche 3 d'encapsulation et de planarisation, sur laquelle au moins une 5 couche de niveau d'interconnexion doit ensuite être déposée, la couche 3 pouvant elle-même être composée par de multiples couches en différents matériaux. La couche 3 est par exemple en SiCN, SiC, en oxyde de silicium (par exemple en TEOS ou USG Silane). 10 Sur cette couche 3 est déposée une couche 4, initialement en matériau sacrificiel, par exemple de la silice (SiO2) attaqué chimiquement ou un polymère thermiquement dégradable tel que du polyméthylméthacrylate ou de l'alpha-terpinène. Dans le cas d'un matériau chimiquement dégradable tel que la silice, la silice est préférentiellement attaquée par des solutions 15 d'acide fluorhydrique (par exemple : HF, NH4F, mélange NH4F/HF). Le type de solution (la concentration de la solution chimique d'attaque, la formulation) sera choisie en fonction d'un compromis entre la vitesse d'attaque et la dégradation de l'environnement des cavités. Dans le cas d'un matériau thermiquement dégradable, le choix du matériau sacrificiel de Ila couche 4 20 sera choisi en fonction de sa température de dégradation qui doit être compatible avec les matériaux et les circuits en présence. D'une façon générale, le matériau sacrificiel sera également choisi en fonction de sa capacité d'intégration dans le procédé global (par exemple sa faculté à être gravée) et qu'il supporte les température du procédé global. Le matériau sacrificiel doit, par exemple, supporter les températures du procédé global tel le recuit du cuivre entre 300 C et 450 C tout en étant dégradable dans des températures supérieures mais voisines. Il doit pouvoir être dégradé pour ne pas laisser de résidus dans la structure. A l'intérieur de cette couche 4 et sur toute sa hauteur sont intégrés des motifs (par exemple des plots de contact ou des lignes) en matériau 2907598 5 métallique 5, par exemple en cuivre ou en aluminium. Cette intégration peut être réalisée par toute technique connue, par exemple par la technique damascène. La couche 4 est alors constituée par une alternance de matériau métallique 5 et de matériau sacrificiel 6. Dans la couche 4, le matériau 5 sacrificiel 6 délimite les cavités d'air à former entre les interconnexions en matériau métallique 5. Sur la couche 4 ainsi formée est ensuite déposée une couche de matériau d'encapsulation 7. La couche 7 est de préférence en diélectrique, par exemple en SiC, SiCN et avantageusement en polymère de type methylsilsesquioxane à faible permittivité diélectrique, comme par 10 exemple en matériau Black Diamond développé par la société Applied Materials dont l'utilisation est courante dans les intégrations, y compris à cavité d'air avec le concept de polymère dégradable. D'une manière plus générale, la couche 7 peut être constituée de polymères organiques incluant, entre autres, les polynorbomènes, les polyimides photosensibles, les 15 polyarylènes tels que le SILKTM ou GX-3TM, les poly(aryl- ether) tels que le FLARE , des matériaux du type méthylsilsesquioxane (MSQ), les matériaux hybrides entre SiO2 et polymères organiques. L'épaisseur de la couche 7 varie de 0 à 1000 nm selon le noeud technologique, c'est-à-dire selon la distance entre deux dispositifs électroniques les plus proches de la couche 2. 20 Sur cette couche d'encapsulation 7 est déposée une couche de copolymère 8, qui est au moins dibloc, c'est-à-dire constituée par un mélange de deux polymères non-miscibles thermodynamiquement. Avantageusement, dans le cas où la couche 4 est un polymère thermiquement dégradable, une couche d'oxyde de silicium, d'épaisseur comprise entre l nm et 20nm, pourra être 25 intercalée entre les couches 7 et 8. Une telle conformation est notamment décrite dans l'article de Bates et Al. ( Block copolymers-designer soft materials , Physics Today, 52, 1999, 32). Le copolymère 8 est tel que le retrait d'un des polymères le composant laisse apparaître un réseau de trous, tel que présenté par exemple sur la figure 10. À titre d'exemple, le 30 copolymère dibloc peut être constitué par un mélange de polystyrène et de polyméthylméthacrylate. 2907598 6 Comme illustré à la figure 2, un premier masque de gravure 9 est formé par retrait sélectif d'un des polymères de la couche 8, préférentiellement du polyméthylméthacrylate. II comporte ainsi un réseau de trous au sein d'une 5 matrice composée par le second polymère. Ce réseau de trous présente préférentiellement un pas inférieur ou égal, de préférence plusieurs fois inférieur, à la distance minimale entre deux dispositifs électroniques les plus proches (définie par le noeud technologique) à séparer par une cavité d'air. Le pas doit dans tous les cas autoriser un accès à chaque zone de matériau 10 sacrificiel 6, où l'on souhaite réaliser des cavités d'air, en combinaison avec le procédé de retrait. Dans un mode de réalisation particulier, plusieurs couches 4, présentant chacune un agencement particulier entre le matériau sacrificiel 6 et le 15 matériau métallique 5, sont empilées les unes au-dessus des autres, afin de relier entre eux, selon un dessin précis, les dispositifs de la couche 2 préalablement réalisés. Par exemple, dans la figure 11, lors d'une observation en coupe, on constate que de nombreux motifs en matériau sacrificiel 6 sont en contact grâce aux niveaux supérieurs et/ou inférieurs. Il 20 est alors possible d'éliminer, en fonction de la solution d'attaque du matériau sacrificiel 6, par un trou du deuxième masque de gravure 10, le matériau sacrificiel 6 sur une zone beaucoup plus large que celle correspondant au pas minimum du réseau lié à la distance minimale entre deux dispositifs électroniques les plus proches, le pas du réseau de trous peut alors être 25 relâché. En effet, la solution d'attaque est capable de contourner les obstacles formés par le matériau métallique 5 en en utilisant les portions jointives de matériau sacrificiel 6 des différents niveaux. Ce mode de réalisation est déjà utilisé pour l'intégration de cavité d'air selon des modes de réalisation selon l'art antérieur. Par exemple, si une solution chimique 30 présente une vitesse de retrait de l'ordre de 100nm/min et si l'échantillon est immergé durant 5 min dans la solution, la zone de cavité, où le matériau 2907598 7 sacrificiel 6 à été éliminé, est représentée par une demi-sphère centrée sur le trou par lequel est passé la solution. Par exemple, dans le cas où le matériau métallique 5 et le matériau sacrificiel 5 6 forment une alternance de lignes au sein de la couche 4, la couche 4 étant comprise entre deux couches qui ne réagissent pas avec la solution d'attaque qui dégrade le matériau sacrificiel 6, il est nécessaire d'avoir un réseau de trous au sein du premier masque de gravure 9 de façon à ce que le deuxième masque de gravure 10 ait lui même des trous entre les lignes de 10 matériau métallique 5. II est alors possible de dégrader chaque ligne de matériau sacrificiel 6 et d'obtenir des cavités d'air entre les lignes en matériau métallique 5. Comme illustrée à la figure 3, la couche 7 est alors gravée, par exemple à 15 l'aide d'un plasma, au travers du premier masque de gravure 9 pour former un deuxième masque de gravure 10. Ce deuxième masque de gravure 10 présente alors, dans certaines conditions de gravure, le même motif que le premier masque de gravure 9. Dans la plupart des cas, le deuxième masque de gravure 10 à un motif qui lui est propre et est lié aux conditions de gravure 20 (par exemple : gaz, température, pression et procédé de gravure). Il est éventuellement possible d'agrandir, de manière connue, le diamètre des trous du deuxième masque de gravure 10. Comme illustré sur la figure 4, le premier masque de gravure 9 est ensuite 25 éliminé par un procédé physico-chimique de type connu. Le deuxième masque de gravure 10 permet alors l'accès au matériau sacrificiel 6 d'un agent chimique permettant sa destruction ainsi que son retrait. L'objectif des canaux présents au sein du deuxième masque de gravure 10 est de permettre par exemple à une solution chimique d'atteindre la couche en 30 matériau sacrificiel 6 et aux résidus de décomposition de cette couche d'être extraits. Il n'existe pas de d'exigence particulière quant à la forme 2907598 8 géométrique des canaux. Cette forme est imposée par le choix des polymères constituant le copolymère et de ses conditions de dépôt ainsi que par le transfert des motifs du premier 9 au deuxième 10 masque de gravure. La densité du réseau de trous doit permettre de laisser diffuser la solution 5 d'attaque pour dégrader la couche en matériau sacrificiel 6 et ainsi générer des cavités d'air sur la totalité du volume voulue par l'utilisateur ainsi que de faciliter l'extraction des résidus. Des trous ayant des formes cylindriques ou quasi-cylindriques seront plus facilement obtenues et suffiront à satisfaire le besoin. Les diamètres des trous au sein du deuxième masque de gravure 10 10 sont choisies de façon à être compatibles avec les dimensions géométriques des cavités d'air à former ainsi que du noeud technologique. Après élimination du matériau sacrificiel 6, les zones de matériau métallique 5 de la couche 4 sont ainsi séparées par des cavités d'air, préalablement délimitées par les zones en matériau sacrificiel 6 dans la couche 4. 15 En résumé, le procédé d'invention peut ainsi, à titre d'exemple, comporter successivement les étapes suivantes : a) Formation de transistors et autres dispositifs électroniques au sein de la couche 2. 20 b) Dépôt de la couche d'encapsulation et de planarisation 3. c) Formation de la couche d'interconnexion 4, avec alternance de matériau sacrificiel 6 et de matériau métallique 5. d) Dépôts de la couche d'encapsulation 7 sur la couche d'interconnexion 4 et de la couche de copolymère dibloc 8 sur la couche 25 d'encapsulation 7. e) Retrait d'un des polymères pour former le premier masque de gravure 9 avec son réseau de trous. f) Transfert du motif du premier masque de gravure 9 au sein de la couche d'encapsulation 7, formant ainsi le deuxième masque de 30 gravure 10. 2907598 9 g) Retrait du premier masque de gravure 9 et élimination des zones de matériau sacrificiel 6 au travers du deuxième masque de gravure 10. Le retrait d'un polymère d'une couche de copolymère dibloc permet la 5 création d'un réseau de trous. Le masque de gravure ainsi formé est reproduit au sein de la couche de diélectrique et est conservé dans la structure finale. Ce réseau permet l'accès à chaque zone de matériau sacrificiel d'un agent chimique capable de retirer ledit matériau. 10 Le procédé décrit cidessus permet d'obtenir la séparation des éléments d'interconnexion par des cavités d'air sans l'utilisation d'étapes supplémentaires complexes et coûteuses de photolithographies. De même, on a alors accès à un large panel de procédés d'attaque chimique pour une dégradation et un retrait du matériau sacrificiel au travers de la couche de 15 diélectrique. Dans certains cas, en fonction des matériaux utilisés pour former les couches 7 et 8, il n'est pas possible de graver sélectivement la couche d'encapsulation 7 par rapport à la couche de copolymère 8. II est alors 20 envisageable d'utiliser une ou des couches additionnelles en un matériau tiers visant à faciliter les gravures sélectives des matériaux présents deux à deux. Un telle couche est communément appelée masque dur , cette couche ne restant généralement pas dans la structure finale. 25 A titre d'exemple, dans la variante de réalisation représentée sur les figures 5 à 9, une couche supplémentaire 11, par exemple en TiN, une bicouche TiN+TEOS, en Carbone amorphe, en SiC, en SiCN, une tricouche TiN (d'épaisseur comprise entre 5 et 50nm)+carbone amorphe (entre 20 et 250nm)+TEOS (entre 1 et 100nm) ou une association de ces couches, est 30 intercalée entre la couche d'encapsulation 7 et la couche de copolymère 8 (figure 5). Le choix du matériau de la couche supplémentaire 11 est choisi 2907598 10 pour qu'il soit possible de graver sélectivement ce matériau par rapport à la couche de copolymère 8. Après formation du premier masque cle gravure 9 (figure 6) dans la couche de copolymère 8, un masque de gravure intermédiaire 12 est créé au sein de la couche 11 par gravure à travers le 5 premier masque de gravure 9 (figure 7). Le matériau de la couche d'encapsulation 7 est ensuite gravé sélectivement à travers le masque de gravure intermédiaire 12 (figure 9) pour former le deuxième masque de gravure 10, le premier masque de gravure 9 ayant été retiré ou non (figure 8). L'élimination du matériau sacrificiel 6 est alors réalisé, comme 10 précédemment, à travers le deuxième masque de gravure 10. Le masque de gravure intermédiaire 12 peut être retiré. Avantageusement, compte tenu des matériaux actuels constituant le masque 12, ce dernier sera éliminé pour améliorer les performances électriques. De cette manière, il est possible, à l'aide de masques de gravure successifs et de chimies de gravure plasma 15 adaptées, de reporter le motif du premier masque de gravure au sein de la couche d'encapsulation 7. Ainsi, les étapes a) à c) précités sont inchangées. Puis, au niveau de l'étape d), une couche supplémentaire est intercalée entre la couche 20 d'encapsulation 7 et la couche de copolymère 8. Ensuite, entre les étapes e) et f), la couche supplémentaire 11 est gravée pour former un masque de gravure intermédiaire 12 utilisé pour la formation du deuxième masque de gravure 10. 25 La couche supplémentaire 11 permet donc de faciliter la reproduction du premier masque de gravure dans la couche 7 en matériau diélectrique. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits. En particulier, le circuit intégré peut comporter plusieurs niveaux d'interconnexions présentant des 30 cavités d'air. Dans ce cas, tout ou partie des étapes précitées sont répétées afin d'obtenir l'architecture escomptée. Par ailleurs, la couche de copolymère Revendications 1. Procédé de fabrication d'un circuit électronique intégré comprenant une première couche (4) formée par une alternance de zones (5) en un matériau prédéterminé et de cavités d'air, disposée sous une couche (7) de matériau diélectrique, les cavités étant initialement remplies d'un matériau sacrificiel (6), qui est ensuite retiré à travers la couche (7) en matériau diélectrique, procédé caractérisé en ce qu'une couche (8) de copolymère au moins dibloc est déposée sur la couche (7) en matériau diélectrique, un premier masque de gravure (9) est formé dans la couche (8) de copolymère dibloc par retrait sélectif de l'un des polymères, un deuxième masque de gravure (10) est réalisé par gravure du matériau diélectrique à travers le premier masque (9), le retrait du matériau sacrificiel est ensuite réalisé au travers du deuxième masque de gravure (10). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier masque de gravure (9) présente un réseau de trous ayant un pas de réseau inférieur ou égal à la plus petite distance entre deux cavités de la première couche (4). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le retrait de la couche de copolymère (8) est réalisé avant le retrait du matériau sacrificiel. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau prédéterminé est un matériau métallique d'interconnexion. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en 30 ce que le copolymère est un copolymère dibloc constitué par un mélange de polyméthylméthacrylate (PMMA) et de polystyrène (PS), le 12 2907598 13 polyméthylméthacrylate étant retiré sélectivement pour former le premier masque de gravure (9). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en 5 ce qu'il comporte le dépôt d'au moins une couche (11) supplémentaire disposée entre la couche (7) de matériau diélectrique et le copolymère (8), la gravure de ladite couche (11) supplémentaire à travers le premier masque de gravure (9) pour former un masque intermédiaire (12), à travers duquel est réalisée la gravure du matériau diélectrique pour former le deuxième masque 10 de gravure (10).