Brevet FR2957459A1 — publié le 20110916

,13L,...j R - CAS ALONGA & JOSSE Paris - Munich - Alicante - Grenoble CONSEILS EN PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE EUROPEAN PATENT AND TRADEMARK ATTORNEYS 8, avenue Percier ù F 75008 PARIS Tél. : 33 (0)1 45 61 94 64 Fax : 33 (0)1 45 63 94 21 e-mail : paris@casalonga.com DEMANDE DE BREVET B09-4810FR - FZ/cec 09-GR1-385 Société anonyme dite : STMicroelectronics SA Procédé de fabrication d'un circuit intégré contenant un condensateur métal - isolant - métal et circuit intégré correspondant Invention de : JEANNOT Simon MARTY Michel GIRAUDIN Jean-Christophe Procédé de fabrication d'un circuit intégré contenant un condensateur métal - isolant - métal et circuit intégré correspondant L'invention concerne le domaine des dispositifs microélectroniques, et plus particulièrement des dispositifs capacitifs microélectroniques du type métal û isolant - métal. Il est connu de réaliser des condensateurs MIM (Métal Isolant Métal) dans des circuits intégrés. Il est par ailleurs intéressant que la région diélectrique de tels condensateurs présente des constantes diélectriques relativement élevées de façon à augmenter la valeur capacitive de ces condensateurs. Le brevet américain US 7,553,736 décrit un procédé de traitement consistant à effectuer un traitement chimique à l'aide d'un plasma, sur la zone diélectrique dans laquelle est réalisée le condensateur de façon à augmenter la constante diélectrique du matériau diélectrique. Par ce traitement, on remplace les groupements -Si-CH3 en surface du matériau diélectrique par des groupements -Si-OH ou -Si-H. Cela étant un tel traitement plasma dépend non seulement de la composition chimique du matériau diélectrique mais endommage aussi la surface supérieure des armatures ainsi que celle de la région diélectrique, ce qui nécessite d'effectuer un polissage mécanochimique conduisant à éliminer une portion de la partie supérieure du dispositif. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé de réaliser un condensateur métal û isolant û métal à forte constante diélectrique, permettant d'obtenir de meilleures performances que les condensateurs classiques, avec un moindre coût et ce avec des technologies avancées telles que les technologies 45 nanomètres ou inférieures à 45 nanomètres. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est proposé un procédé permettant de s'intégrer très facilement dans un procédé classique de réalisation de la partie d'interconnexion (communément désignée par l'homme du métier sous la dénomination anglo-saxonne de « BEOL : Back End Of Lines ») du circuit intégré. I1 est également proposé, dans un mode de réalisation, que le condensateur soit réalisé dans un seul niveau de métallisation avec une possibilité de connexion directe au même niveau de métallisation. I1 est encore proposé, selon un autre mode de mise en oeuvre et de réalisation, de réaliser des condensateurs tridimensionnels à architecture empilable. Selon un aspect, il est proposé un procédé de fabrication d'un circuit intégré, comprenant une réalisation de niveaux de métallisation au sein de régions isolantes comprenant un premier matériau ayant une première constante diélectrique, par exemple un matériau diélectrique classique inter-métal à faible constante diélectrique, et une réalisation d'au moins un condensateur û métal û isolant û métal comportant une formation d'armatures métalliques dans au moins un niveau de métallisation ; selon une caractéristique générale de cet aspect, la réalisation du condensateur comprend un remplacement local du premier matériau situé entre les armatures métalliques par au moins un deuxième matériau ayant une deuxième constante diélectrique supérieure à la première constante diélectrique. En d'autres termes, il ne s'agit pas là d'un traitement chimique du premier matériau conduisant à l'obtention d'un premier matériau transformé, mais bien d'un remplacement total du premier matériau à faible constante diélectrique situé entre les armatures, par un deuxième matériau à plus forte constante diélectrique, c'est-à-dire un retrait localisé du premier matériau puis un remplissage de l'espace libre résultant dudit retrait localisé par le deuxième matériau. A titre indicatif, la deuxième constante diélectrique est supérieure ou égale à 6, par exemple comprise entre 20 et 50 bien que des valeurs de constante diélectrique de l'ordre de 1000 et au delà soient envisageables ; par ailleurs, la première constante diélectrique est inférieure à 6. Selon un mode de mise en oeuvre, le remplacement local du premier matériau par le deuxième matériau comprend une gravure sélective du premier matériau et un dépôt du deuxième matériau dans la cavité résultant de ladite gravure sélective. Selon un mode de mise en oeuvre, il est également prévu une réalisation d'au moins un niveau de métallisation supplémentaire au-dessus du condensateur, après réalisation de celui-ci. Généralement, la réalisation de chaque niveau de métallisation comprend une formation d'une couche barrière, typiquement une couche de SiCN/SiN, sur le niveau de métallisation immédiatement sous-jacent. Plusieurs variantes sont alors possibles. Selon une première variante, le remplacement local du premier matériau par le deuxième matériau peut s'effectuer avant la formation de ladite couche barrière du niveau de métallisation supplémentaire, ce qui permet d'utiliser un masque de qualité moindre. Selon une autre variante, le remplacement local du premier matériau par le deuxième matériau peut s'effectuer après la formation de la couche barrière du niveau de métallisation supplémentaire. I1 est alors préférable d'utiliser un masque de haute qualité, par exemple d'une qualité équivalente à celle utilisée pour les masques de formation des lignes métalliques. On peut réaliser les armatures du condensateur dans un seul niveau de métallisation. En variante, on peut réaliser des armatures situées sur plusieurs niveaux de métallisation superposés. Quelles que soient les modes de réalisation, on peut réaliser des armatures interdigitées. Selon un autre aspect, il est proposé un circuit intégré comportant une partie d'interconnexion comportant des niveaux de métallisation réalisés au sein de régions isolantes comprenant un premier matériau ayant une première constante diélectrique, et au moins un condensateur de type métal û isolant û métal comportant des armatures métalliques disposées dans au moins un niveau de métallisation et entourées directement ou indirectement par le premier matériau ; le condensateur comprend également, entre les armatures métalliques, un deuxième matériau ayant une deuxième constante diélectrique, la deuxième constante diélectrique étant plus grande que la première constante diélectrique. Selon un mode de réalisation, les armatures sont situées sur un seul niveau de métallisation. En variante, elles peuvent être situées sur plusieurs niveaux de métallisation adjacents. Les armatures peuvent être interdigitées. Selon un mode de réalisation, la partie d'interconnexion comporte au moins un niveau de métallisation supplémentaire au-dessus de celui contenant les armatures du condensateur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée uniquement en tant qu'exemples non limitatifs et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - les figures 1 à 5 illustrent les principales étapes d'un mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 6 illustre un mode de réalisation d'un circuit intégré selon l'invention comprenant un condensateur à structures interdigitées ; - les figures 7 à 12 illustrent les principales étapes d'un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention ; - la figure 13 illustre un autre mode de réalisation d'un circuit intégré selon l'invention comprenant un condensateur à structures interdigitées ; - les figures 14 à 17 illustrent les principales étapes d'un autre mode de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention. Sur la figure 1, on peut voir un niveau de métallisation de la partie d'interconnexion (BEOL : Back End of Lines) d'un circuit intégré comprenant un condensateur 1 comprenant deux armatures métalliques (2,3) séparées l'une de l'autre par un matériau diélectrique 4. Le matériau diélectrique 4 s'étend aussi bien sous les pistes métalliques du niveau de métallisation que dans la zone d'espacement 5 entre les armatures métalliques du condensateur. Ce matériau diélectrique 4 est un matériau classique utilisé dans la réalisation des niveaux de métallisation de la partie BEOL du circuit intégré. C'est en général un matériau à faible constante diélectrique (matériau « Low K »). A cet égard, un matériau à faible constante diélectrique est ici un matériau dont la constante diélectrique K est inférieure à 6. Parmi les matériaux diélectriques à faible constante diélectrique habituellement utilisés, on peut citer les oxydes de silicium dopés avec du carbone ou encore les oxydes de silicium dopés avec du fluor. Généralement, une fois un niveau de métallisation réalisé, on recouvre celui-ci d'une couche barrière par exemple classiquement formée de SiCN ou de SiN, avant de déposer le matériau diélectrique 4 du niveau de métallisation immédiatement supérieur. Dans le mode de mise en oeuvre illustré sur les figures 1 à 5, la réalisation du condensateur à forte constante diélectrique va être effectuée avant le dépôt de cette couche barrière. C'est la raison pour laquelle sur la figure 1, aucune couche barrière n'est représentée à la surface supérieure des armatures métalliques 2 et 3 et du matériau diélectrique 4 à faible constante diélectrique disposé dans la zone d'espacement 5. La surface est alors recouverte d'une couche de résine photosensible 7 mise en forme afin de laisser accessible la zone d'espacement 5 et une partie des armatures métalliques (2,3), le reste du dispositif étant masqué. Le procédé se poursuit (figure 2) par une gravure sélective du matériau 4 de la zone d'espacement 5 située entre les armatures métalliques (2,3). La gravure est sélective vis-à-vis du métal formant les armatures, c'est-à-dire que le métal n'est pas attaqué alors que le matériau diélectrique est retiré. Une telle gravure sélective est classique et connue en soi et peut être réalisée par exemple par gravure sèche de type plasma avec un mélange de gaz CF4, C4F8 et N2, ou par gravure humide en utilisant des solutions d'acide fluorhydrique, d'acide glycolique ou d'acide organique. L'étape suivante du procédé est illustrée par la figure 3. La couche de résine 7 est retirée, et une couche de diélectrique à forte constante diélectrique 8 est déposé de façon conforme pour remplir la cavité résultant de la gravure sélective de la zone d'espacement 5. La couche de diélectrique à forte constante diélectrique 8 est déposée sur toute la plaque et recouvre donc également les armatures métalliques (2,3) et la partie exposée de la couche diélectrique 4. Un matériau à forte constante diélectrique est ici un matériau dont la constante diélectrique est supérieure à 6. Cela étant, une telle constante diélectrique est généralement comprise entre 20 et 50 et peut même atteindre des valeurs de l'ordre de 1000 et au delà pour certains matériaux. Les matériaux à forte constante diélectrique sont bien connus de l'homme du métier. On peut citer notamment l'oxyde de tantale Ta2O5, l'oxyde de zyrconium ZrO2, ou encore les Titano-Zirconate de Plomb connus sous la dénomination PZT ou bien des polymères contenant des nanoparticules. Ces matériaux peuvent être déposés, par exemple en dépôt conforme, par des méthodes chimiques en phase vapeur tels que les procédés PECVD, MOCVD ou bien par dépôt de couches atomiques tels que les procédés ALD, PEALD, ou encore en ce qui concerne les solutions gel de matériau à forte constante diélectrique (SOL-GEL) par un dépôt par induction centrifuge également appelée « spin coating ». L'homme du métier pourra également se référer, à toutes fins utiles, aux trois articles suivants, qui donnent des exemples de matériaux à forte constante diélectrique ainsi que leurs procédés de mise en oeuvre : - Article de Yang Rao intitulé « Novel Ultra-high dielectric Constant Polymer Based Compositte for Embedded Capacitor Application » ; IEEE Polytronic 2002 Conference, - Article de Michael D. Sacks et autres intitulé "Low-Cost Embedded Capacitor Technology With Hydrothermal And Sol-Gel Processes", 9th International Symposium on Advanced Packaging Materials 2004 IEEE, - Article de Troutman et autres, intitulé "Development and Low Viscocity, High Dielectric Constant (K) Polymers for Integral Passive Applications », 1999 International Symposium on Advanced Packaging Materials. L'étape suivante est un polissage mécanochimique de la couche de diélectrique à forte constante diélectrique 8. Le polissage est arrêté lorsqu'il atteint la face supérieure des armatures métalliques (2,3). On obtient alors une surface plane au niveau de la jonction entre les armatures métalliques (2,3) et la zone d'espacement 5 remplie de matériau diélectrique à forte constante diélectrique. Cette étape de procédé est illustrée par la figure 4. Le procédé de fabrication peut être ainsi facilement intégré au procédé de fabrication classique de la partie d'interconnexion du circuit intégré. Plus précisément, comme illustré sur la figure 5, une nouvelle couche de barrière peut être réalisée afin d'isoler le niveau de métallisation contenant le condensateur 1. Puis, de façon classique et connue en soi, un niveau supplémentaire de métallisation est réalisé au-dessus de cette couche barrière comportant un dépôt du matériau diélectrique à faible constante diélectrique puis une gravure de ce matériau diélectrique pour former des tranchées qui seront remplies de métal pour former des pistes métalliques. La figure 6 illustre une vue en coupe d'un exemple de condensateur 1 et des armatures métalliques (2,3). Les armatures métalliques 2 et 3 du condensateur sont ici interdigitées tout en étant contenues et réalisées au sein d'un seul niveau de métallisation. Par ailleurs, dans cet exemple, le matériau diélectrique à forte constante diélectrique 8 se situe non seulement entre les armatures métalliques mais également légèrement autour en raison du fait que le masque de gravure qui a permis de graver le diélectrique à faible constante diélectrique du niveau de métallisation était un masque de qualité moindre débordant légèrement au-delà des armatures. Le matériau 8 est entouré du matériau 4 (non représenté ici) à faible constante diéelectrique. Un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustré sur les figures 7 à 12. Dans ce mode de mise en oeuvre, le remplacement local du matériau diélectrique 4 par le matériau diélectrique à forte constante diélectrique 8 s'effectue après dépôt de la couche barrière 6 (figure 7). Comme illustré sur la figure 8, on dépose sur la couche barrière 6 un masque de résine qui va permettre par attaque sélective de retirer une partie de la couche barrière sous-jacente 6. Puis, d'une façon analogue à ce qui a été décrit précédemment en référence aux figures 3 à 5, on procède à la gravure sélective du matériau diélectrique 4 dans la zone d'espacement 5 entre les armatures (figure 9) puis à un dépôt du matériau diélectrique à forte constante diélectrique 8 dans la cavité résultant de la gravure précédente ainsi que sur l'ensemble de la plaque (figure 10). Puis, sur la figure 11, on procède à un polissage mécanochimique de la couche 8 avec arrêt sur la couche barrière 6 de façon à obtenir la structure illustrée sur la figure 11. Là encore, comme illustré sur la figure 12, on peut poursuivre le procédé de fabrication par la réalisation d'un niveau de métallisation supplémentaire au-dessus de la couche barrière 6. A titre d'exemple, des liaisons traversantes verticales (vias) peuvent être réalisées pour connecter les armatures du condensateur 1 aux pistes de ce niveau de métallisation supplémentaire. La figure 13 illustre une vue en coupe du condensateur 1 et des armatures métalliques (2,3) tels qu'on peut les voir sur la figure 12. Comme on peut le voir, la couche de diélectrique à forte constante électrique 8 est déposée essentiellement dans les zones d'espacement 5 entre les armatures (2,3). En effet, le masque utilisé pour la gravure sélective du matériau diélectrique à faible constante diélectrique 4 est un masque de meilleure qualité qui permet d'éviter d'avoir du matériau à forte constante diélectrique à l'extérieur des armatures comme dans le cas de la figure 6. Les figures 14 à 17 illustrent un autre mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention conduisant à la réalisation de condensateurs dont les armatures s'étendent sur plusieurs niveaux de métallisation superposés, ici deux niveaux de métallisation. Comme illustré sur la figure 14, le condensateur comporte ici une partie supérieure possédant deux armatures métalliques 2b et 3b et une partie inférieure possédant deux armatures métalliques 2 et 3. Les parties inférieures et supérieures des armatures métalliques sont reliées par des parties de liaison métalliques. Dans les zones d'espacement 5 et 5b on retrouve le matériau diélectrique à faible constante diélectrique. Ce matériau se situe également, au-dessus de la couche barrière 6, dans la zone 9b située entre les armatures supérieures 2b, 3b, et les armatures inférieures 2 et 3. Là encore, par analogie au mode de mise en oeuvre précédent, le remplacement du matériau à faible constante diélectrique par du matériau à forte constante diélectrique s'effectue après dépôt de la couche barrière 6b sur les armatures métalliques 2b, 3b. Par analogie à ce qui a été décrit précédemment, après dépôt d'une résine de masquage 7, on procède à la gravure localisée de la couche barrière 6b puis à la gravure du matériau diélectrique situé dans les zones 5, 5b et 9b (figure 15). Puis, on procède comme expliqué précédemment, au dépôt d'un matériau diélectrique à forte constante diélectrique 8 dans les cavités résultant de la gravure précédente ainsi que sur l'ensemble de la plaque (figure 16). Puis, après polissage mécanochimique de la surface supérieure de la structure illustrée sur la figure 16, on obtient la structure illustrée sur la figure 17. On obtient ainsi un condensateur métal û isolant û métal tridimensionnel formé de plusieurs condensateurs élémentaires empilés respectivement réalisés sur des niveaux de métallisation superposés. Par ailleurs, les armatures supérieures et inférieures peuvent être également interdigitées. Enfin, le condensateur tridimensionnel ainsi produit bénéficie d'un effet capacitif supplémentaire grâce au matériau diélectrique à forte constante diélectrique présent dans la zone 9b entre les armatures supérieures et inférieures. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un circuit intégré, comprenant une réalisation de niveaux de métallisation au sein de régions isolantes comprenant un premier matériau (4) ayant une première constante diélectrique, et une réalisation d'au moins un condensateur métal û isolant û métal (1) comportant une formation d'armatures métalliques (2, 3) dans au moins un niveau de métallisation, caractérisé en ce que la réalisation du condensateur comprend un remplacement local du premier matériau (4) situé entre les armatures métalliques par au moins un deuxième matériau (8) ayant une deuxième constante diélectrique supérieure à la première constante diélectrique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième constante diélectrique est supérieure ou égal à six, et la première 15 constante diélectrique est inférieure à six. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la deuxième constante diélectrique est supérieure à 20. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le remplacement local du premier matériau par le deuxième 20 matériau comprend une gravure sélective du premier matériau (4) et un dépôt du deuxième matériau (8) dans la cavité résultant de ladite gravure sélective. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une réalisation d'au moins un niveau de métallisation supplémentaire au-25 dessus du condensateur (1), après réalisation de celui-ci. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la réalisation de chaque niveau de métallisation comprend une formation de couche barrière (6) sur le niveau de métallisation immédiatement sous-jacent, et le remplacement local du premier matériau par le deuxième matériau 30 s'effectue avant la formation de ladite couche barrière (6) du niveau de métallisation supplémentaire. 7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la réalisation de chaque niveau de métallisation comprend une formation de couchebarrière (6) sur le niveau de métallisation immédiatement sous-jacent, et le remplacement local du premier matériau (4) par le deuxième matériau (8) s'effectue après la formation de ladite couche barrière (6) du niveau de métallisation supplémentaire. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réalise les armatures (2, 3) du condensateur dans un seul niveau de métallisation. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la réalisation du condensateur comprend une réalisation d'armatures (2, 3, 2b, 3b) situées sur plusieurs niveaux de métallisation superposés. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, dans lequel on réalise des armatures interdigitées. 11. Circuit intégré comprenant une partie d'interconnexion comportant des niveaux de métallisation réalisés au sein de régions isolantes comprenant un premier matériau (4) ayant une première constante diélectrique et au moins un condensateur de type métal isolant métal comportant des armatures métalliques (2, 3) disposées dans au moins un niveau de métallisation et entourées directement ou indirectement dudit premier matériau (4) et entre les armatures métalliques (2, 3), un deuxième matériau (8) ayant une deuxième constante diélectrique, la deuxième constante diélectrique étant plus grande que la première constante diélectrique. 12. Circuit intégré selon la revendication 11, dans lequel la 25 première constante diélectrique est inférieure à six, et la deuxième constante diélectrique est supérieure à six. 13. Circuit intégré selon la revendication 11 ou 12, dans lequel les armatures (2, 3) sont situées sur un seul niveau de métallisation. 30 14. Circuit intégré selon la revendication 11 ou 12, dans lequel les armatures (2, 3, 2b, 3b) sont situées sur plusieurs niveaux de métallisation superposés. 15. Circuit intégré selon la revendication 13 ou 14, dans lequel les armatures sont interdigitées. 16. Circuit intégré selon l'une des revendications 11 à 15, dans lequel la partie d'interconnexion comporte au moins un niveau de métallisation supplémentaire au-dessus de celui contenant les armatures du condensateur (1).