Brevet FR2947570A1 — publié le 20110107

PROCEDE DE CREATION D'UNE ZONE CRISTALLINE DE METAL, NOTAMMENT DANS UN CIRCUIT INTEGRE DESCRIPTION L'invention a trait à un procédé de création d'une zone cristalline de métal, notamment dans un circuit intégré. La conductivité d'un métal dépend de sa structure cristalline, ce qui explique qu'on s'intéresse à maîtriser la formation de celle-ci dans le cas de lignes d'interconnexion des circuits dont la matière a été déposée dans les tranchées d'un substrat : la formation de lignes monocristallines ou du moins cristalline à gros grains donnerait une conductivité particulièrement bonne, accompagnée d'une baisse de l'échauffement et d'une meilleure transmission de l'électricité, les défauts de transport des électrons étant plus particulièrement concentrés aux joints de grains ; or ces défauts sont de plus en plus manifestes à mesure que des lignes d'interconnexion toujours plus étroites sont demandées. Le but de l'invention est donc de gouverner la microstructure cristalline d'éléments tels que des lignes d'interconnexion des circuits intégrés pour obtenir une telle structure monocristalline ou à gros grains dans laquelle les joints de grains sont éliminés. Les grains obtenus à la fabrication ont typiquement une taille de l'ordre de 1 à 100 nm, quand la structure métallique n'est pas amorphe. L'invention vise à obtenir une structure cristalline aux grains de l'ordre de 100 fois plus gros, de façon à présenter un 2 seul grain ou un petit nombre de grains sur la longueur des lignes d'interconnexion (1 à 10 �m ou plus). La taille des grains peut être définie comme leur dimension moyenne. L'état de l'art comprend la connaissance que la structure cristalline d'un milieu métallique continu composé des lignes d'interconnexion établies dans des tranchées d'un substrat et d'une couche supérieure (surépaisseur), qui recouvre les lignes en s'étendant sur toute la surface du substrat et a été réalisée pendant la même étape de dépôt qu'elles , est d'abord modifiée dans cette couche supérieure quand un traitement thermique tel qu'un recuit est entrepris, avant de gagner les lignes sous-jacentes grâce à la continuité du milieu métallique qu'elles forment. Les traitements de recuit sont courants pour accroître la taille des grains dans les lignes à partir des grains très petits obtenus au dépôt. L'article � Cu grain growth in interconnects trenches-Experimental charactérization of the overburden effect �, par Carreau et autres (paru dans Microelectronic Engineering n°85 (2008), p.2133-2136), décrit ce phénomène. L'invention concerne un procédé de création d'une zone de métal, comprenant les étapes de: - réalisation d'au moins une zone en creux dans un substrat, - dépôt d'un métal dans la zone en creux, et au-dessus, en formant une couche continue de surépaisseur, et présentant une première taille de grains, caractérisé par les étapes de : 3 - enlèvement total ou partiel de la couche de surépaisseur, - mise en contact d'une surface libre du métal et d'un cristal du même métal, présentant une seconde taille de grains supérieure à la première taille, - recuit du métal et du cristal, - enlèvement du cristal. La seconde taille de grains (considérée d'après la dimension moyenne des grains, par exemple) peut être au moins cent fois plus grande que la première, pour exploiter pleinement les avantages de l'invention. Par rapport à l'art antérieur, les étapes essentielles consistent à retirer la couche de surépaisseur, où la modification de la structure prend naissance d'après la connaissance existante, et la remplacer par un cristal ayant la structure voulue pour tout le métal, fabriqué séparément et raccordé au métal déposé dans les tranchées par apposition au substrat. Les inventeurs ont constaté que la structure cristalline s'imposait alors aussi dans le métal emplissant les tranchées malgré le défaut de continuité cristallographique avec leur métal; il est seulement nécessaire d'établir un contact suffisamment intime entre elles. Le métal ainsi transformé des lignes peut être choisi parmi le cuivre, l'argent ou l'aluminium ; le substrat peut quant à lui être choisi parmi le silicium, le germanium et le SIC (carbure de silicium). 4 Afin d'améliorer le contact entre les deux surfaces métalliques, on procédera avantageusement à un polissage de la surface libre du métal des tranchées et à un polissage d'une surface inférieure du cristal rapporté, qui sont ensuite mises en contact. Le cristal rapporté doit généralement avoir une épaisseur suffisante pour que son influence puisse s'imposer sur toute la profondeur de la ligne. Une valeur de 50nm est préconisée dans certaines conditions usuelles. La mise en contact intime peut comprendre un pressage mécanique, un collage moléculaire ou une soudure. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures 1 à 10, qui illustrent les étapes successives du procédé. Un substrat 1 a été creusé de tranchées 2, puis un dépôt 3 de matière métallique a été établi sur le substrat 1, comblant les tranchées et formant aussi une couche de surépaisseur 4 (figure 1). Une étape préliminaire est un polissage qui retire la couche de surépaisseur 4 en tout ou en partie. Le dépôt 3 est souvent électrochimique, mais l'invention fonctionne aussi avec d'autres procédés de dépôt, ainsi qu'avec les dépôts composés où une couche inférieure de barrière et une première couche conductrice sont déposées par un dépôt physique ou chimique en phase de vapeur, ou par électrochimie. Il est toutefois possible de pratiquer l'invention en laissant un reliquat de la surépaisseur afin que subsiste une surface continue libre 5 en le métal (figure 2). Le reliquat a une épaisseur très faible, de moins de 10 nm environ, quand il existe. Le métal dans les tranchées forme des lignes conductrices 6. Un monocristal 7 de même nature métallique 5 que le dépôt 3 a aussi été préparé (figure 3), et son épaisseur est éventuellement réduite par polissage (figure 4) pour obtenir une couche assez mince pour être appliquée exactement sur la surface libre 5 de l'autre pièce. Ainsi qu'on l'a dit, l'invention serait aussi opérante avec un polycristal aux grains beaucoup plus gros que ceux du dépôt 3. Le monocristal réduit porte la référence 8. Son épaisseur doit toutefois rester suffisante pour induire la recristallisation qu'on va décrire, et aussi pour pouvoir le manipuler commodément. Une épaisseur de 50nm semble par exemple nécessaire pour des lignes de cuivre de 100nm de largeur et de 180nm de hauteur, et des valeurs nettement supérieures de cette épaisseur, de plus de 100nm, voire quelques microns, peuvent être préférées pour une couche de cuivre. Les polissages effectués sur la surépaisseur 4 et le monocristal 7 doivent comporter une très bonne finition, par le procédé CMP (polissage mécano-chimique) ou par une table vibrante ; les surfaces polies sont finalement désoxydées. L'étape suivante, illustrée à la figure 5, consiste en l'apposition du monocristal 8 sur la surface libre 5 par les surfaces polies et désoxydées. Un contact intime entre les surfaces doit être maintenu. Quoiqu'il soit envisagé qu'un simple collage moléculaire permette de l'obtenir, on envisage de recourir aussi à des procédés plus forts qu'un 6 pressage, comme un soudage par diffusion par une compression uniaxiale à chaud (figure 6), un collage moléculaire ou un soudage par ultrasons (figure 7), en employant des appareils de pressage 9 et de soudage 10 idoines. Le soudage par ultrasons semble particulièrement adapté. L'étape suivante, illustrée à la figure 8, est un recuit de l'assemblage, qui est accompli, selon les dimensions, à une température comprise entre 200°C et 600°C pendant une durée comprise entre une minute et quelques heures, pour des lignes d'interconnexion en cuivre. Le monocristal, d'abord réservé à la couche 8, s'étend peu à peu dans les lignes 6 en se propageant de haut en bas. L'état de la figure 9 est finalement obtenu : tout le métal est devenu monocristallin. Les étapes de soudure et de recuit peuvent être réalisées simultanément lorsque la température nécessaire à la soudure est suffisamment élevée pour recristalliser le métal. Une dernière étape est un polissage pour éliminer la couche métallique supérieure 11, continue sur le substrat 1, issue du monocristal 8 et qui forme une nouvelle surépaisseur, et séparer complètement les lignes 6 les unes des autres. Le polissage peut être grossier, puis de plus en plus fin, comme dans les étapes préliminaires du procédé. A la fin du polissage, comme illustré à la figure 10, les lignes sont monocristallines, ont toutes la même orientation, et le circuit est prêt à l'usage ou au dépôt d'autres couches de matière. REVENDICATIONS1) Procédé de création d'une zone cristalline de métal, comprenant les étapes de: - réalisation d'au moins une zone en creux (2) dans un substrat (1), - dépôt d'un métal (6) dans la zone en creux, et au-dessus, en formant une couche continue de surépaisseur (4), et présentant une première taille de grains, caractérisé par les étapes de : - enlèvement total ou partiel de la couche de surépaisseur (4), - mise en contact d'une surface libre (5) du métal et d'un cristal (8) du même métal, présentant une seconde taille de grains supérieure à la première taille - recuit du métal et du cristal, - enlèvement du cristal (11). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal est choisi parmi le cuivre, l'argent et l'aluminium. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le substrat est choisi parmi le silicium, le germanium et le carbure de silicium. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un polissage de la surface libre (5) du métal et un polissage d'une surface inférieure du cristal (8). 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cristal a une épaisseur d'au moins 50nm. 8 6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en contact comprend un pressage. 7) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en contact comprend une soudure. 8) Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la soudure est faite par ultrasons. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mise en contact comprend un collage moléculaire. 10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la seconde taille de grains est au moins 100 fois plus grande que la première.