Brevet FR2964245A1 — publié le 20120302

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention se rapporte au domaine des substrats tridimensionnels utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Plus précisément, elle se rapporte à un procédé d'aplanissement. ETAT DE L'ART Les structures semi-conductrices servent de base à l'industrie électronique. Pour améliorer les performances, des méthodes permettant d'augmenter de plus en plus la densité de circuits gravés par unité de surface ont été développées. Cependant, on se rapproche d'une limite physique. C'est pour cela que des méthodes d'intégration en trois dimensions ont vu le jour : au lieu de diminuer toujours la taille des circuits, on les empile en structures 3D et on les relie par des interconnections verticales. Les circuits, qui sont en relief, sont noyés dans une couche de matériau diélectrique. Le problème est que la surface de la couche de diélectrique reste conforme à la topologie initiale du substrat sur laquelle elle est déposée : les pistes des circuits engendrent des pics à la surface du diélectrique. Or, si l'on veut pouvoir coller de façon solide des couches entre elles, ces couches doivent être parfaitement planes. On a représenté sur la figure 1 un substrat 30 comprenant des circuits, dont les pistes forment des irrégularités de surface 32, recouvert d'une couche de recouvrement 40 en matériau diélectrique. Le dépôt de la couche de recouvrement 40 doit donc être suivi d'un aplanissement de la surface par polissage, de nombreuses techniques étant connues de l'homme du métier. Dans un cas idéal, cette étape permet d'obtenir une surface de la couche de recouvrement 40 ne présentant aucune topologie comme représenté sur la figure 2 (surface parfaite 41). La couche de recouvrement 40 peut ainsi être assemblée à un autre substrat par collage moléculaire. 1 Dans les faits, le polissage comporte des limitations. Le document de Xiaolin Xie et al., « Re-Examining the physical basis of pattern density and step height CMP models », MRS 2003 CMP Symposium, met en évidence que même après polissage, il existe toujours une topologie résiduelle. En effet, des simulations numériques montrent que les pics sont initialement polis plus rapidement que les creux, mais que lorsque la topologie diminue, les vitesses de polissage des pics et des creux se rejoignent (la vitesse de polissage des pics étant toujours supérieure à celle des creux), maintenant ainsi une topologie résiduelle. La figure 3 illustre ce phénomène, les profils des topologies sur les plaques étant tracés pour des temps de polissage successifs de 5 secondes. Le contrôle de l'uniformité d'épaisseur de la couche de diélectrique après polissage reste donc très difficile, même au prix de l'enlèvement d'une quantité de matière très importante sur la couche de recouvrement 40. En effet, l'une des seules solutions est de déposer une épaisse couche de recouvrement, et de la polir suffisamment longtemps pour atteindre l'aplanissement souhaité. Une telle méthode est longue et très couteuse puisque des grandes quantités du matériau de la couche de recouvrement 40 sont gâchées. Voire même plus l'enlèvement de matière nécessaire à l'aplanissement de surface est important, pire est l'uniformité en épaisseur de la couche de recouvrement. En outre, la formation des interconnections (ou « vias ») entre des composants formés dans différents niveaux d'intégration se réalise, après assemblage de deux plaques processées et amincissement de l'une d'entre elle, par gravure profonde à travers les couches de collage, et remplissage de ces « vias » ainsi formé par un matériau conducteur, typiquement du cuivre. Afin de permettre la réalisation de ces interconnections de manière fiable sur toute la surface de la plaque, il est primordial que l'épaisseur de la couche de recouvrement soit la plus uniforme possible, par exemple en limitant les variations d'épaisseur de la couche de recouvrement à 15% de son épaisseur moyenne. PRESENTATION DE L'INVENTION La présente invention vise à résoudre ces difficultés en proposant un procédé permettant d'obtenir une quasi-uniformité d'épaisseur de la couche diélectrique de recouvrement. Un but annexe de ce procédé est de parvenir à ce résultat avec un enlèvement de matière bien moindre que dans les procédés connus. A cet effet, la présente invention se rapporte à un procédé d'aplanissement d'une couche de recouvrement d'un substrat, la couche de recouvrement présentant des irrégularités de surface correspondant à des irrégularités de surface du substrat, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : (a) dépôt conforme d'une couche sacrificielle sur la couche de recouvrement ; (b) polissage de la couche sacrificielle et des irrégularités de surface de la couche de recouvrement, la couche sacrificielle étant constituée d'un matériau tel que la vitesse d'enlèvement de matière de la couche sacrificielle est inférieure ou égale à la vitesse d'enlèvement de matière de la couche de recouvrement lors du polissage. Contrairement aux phénomènes décrits dans le document de Xiaolin Xie et al., « Re-Examining the physical basis of pattern density and step height CMP models », MRS 2003 CMP Symposium, grâce à cette couche sacrificielle, lorsque les irrégularités de surface de la couche de recouvrement sont mises à jour, le polissage devient sélectif : la vitesse de polissage des pics reste inférieure à la vitesse de polissage des creux, remplis du matériau plus résistant qui protège la couche de recouvrement. On obtient une surface très peu rugueuse, avec un enlèvement de matière de la couche de recouvrement minimal, puisque seuls les pics ont été attaqués. 3 Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - le polissage effectué à l'étape (b) est un polissage mécano-chimique ; - la vitesse d'enlèvement de matière du polissage est supérieure à 50 A/s pour la couche de recouvrement, et est comprise entre 20 et 40 A/s pour la couche sacrificielle ; - le polissage effectué à l'étape (b) est un polissage partiel, des reliquats de la couche sacrificielle étant laissés dans des creux présents entre les irrégularités de surface de la couche de recouvrement ; - le polissage partiel est effectué jusqu'à ce que la variation de l'épaisseur 10 de la couche de recouvrement soit inférieure à 5% ; - Le procédé comprend en outre une étape (c) d'élimination sélective des reliquats de la couche sacrificielle ; - l'étape (c) consiste en une gravure à l'acide phosphorique ; - la couche de recouvrement est constituée d'un matériau choisi parmi 15 l'un des matériaux suivants : tétraethoxysilane, silane ; - la couche sacrificielle est constituée d'un oxyde, un nitrure ou un oxynitrure, d'aluminium, de silicium ou de hafnium ; - la couche de recouvrement et/ou la couche sacrificielle est déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à une température 20 inférieure à 400°C ; - les irrégularités de surface du substrat sont des parties restantes d'une couche conductrice recouvrant initialement le substrat et partiellement éliminée ; - les irrégularités de surface sont constituées de cuivre ; 25 - le substrat est constitué d'un matériau choisi parmi l'un des matériaux suivants : Si, SiC, SiGe, du verre, une céramique, un alliage métallique ; - l'épaisseur de la couche sacrificielle est comprise entre 1 et 3 fois la hauteur des irrégularités de surface du substrat. 30 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 précédemment décrite est un schéma d'une coupe transversale d'un substrat candidat au procédé d'aplanissement selon l'invention ; - la figure 2 précédemment décrite est un schéma d'une coupe transversale d'un substrat après un polissage théoriquement parfait ; - la figure 3 est un graphique illustrant les topologies d'un substrat mesurées toutes les 5s au cours d'un procédé d'aplanissement connu ; - les figures 4 à 7 sont des schémas de coupes transversales d'un substrat lors des étapes successives d'un mode de réalisation d'un procédé d'aplanissement selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE Structure du substrat initial Le procédé d'amincissement selon l'invention est destiné à tout substrat semi-conducteur composé d'un substrat 30 recouvert d'une couche de recouvrement 40, le substrat 30 présentant des irrégularités de surface 32, comme décrit précédemment. A titre d'exemple, les irrégularités de surface 32 sont des lignes conductrices qui relient les composants que l'on souhaite intégrer directement à l'intérieur de la structure semi-conductrice. Ce sont ces lignes, légèrement en relief par rapport à la surface 34 du substrat, qui sont la principale contribution à la topologie de la surface du substrat 30. Leur épaisseur va d'une dizaine d'Angstrôms à quelques milliers d'Angstrôms. Le procédé selon l'invention s'applique tout particulièrement pour des 5 épaisseurs d'irrégularités de surface 32 de quelques centaines d'Angstrôms. Ce matériau conducteur, qui est avantageusement du cuivre pour sa très bonne conductivité, est généralement issu d'une couche initiale de cuivre recouvrant le substrat 30 et éliminée partiellement suivant un motif prédéterminé. De nombreuses techniques de gravures sélectives permettant cette élimination partielle sont connues de l'homme du métier. Alternativement, il est possible d'effectuer le dépôt d'une couche superficielle, de la graver sélectivement pour former des cavités, puis les remplir de cuivre, notamment en l'électrodéposant par électrolyse. L'invention n'est toutefois limitée à aucune de ces méthodes. Le substrat 30 peut être constitué de tous les matériaux utilisés habituellement dans l'industrie du semiconducteur, notamment à base de silicium (Si, SiC, SiGe), de verre, de céramique, ou d'un alliage métallique. Le choix du matériau pourra se faire en fonction des propriétés électriques voulues (isolant/conducteur) et des matériaux envisagés pour les couches supérieures, à l'appréciation de l'homme de l'art. La couche de recouvrement 40 qui recouvre le substrat 30 et les lignes conductrices qui forment les irrégularités 32, est quant à elle avantageusement isolante. Parmi les matériaux diélectriques, certains sont préférés, comme le tétraethoxysilane (TEOS) ou le silane, pour leurs propriétés physico-chimiques : ils peuvent être avantageusement déposés par PECVD. La PECVD, dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (le sigle PECVD signifie plasma-enhanced chemical vapor deposition en terminologie anglo-saxonne) est une méthode connue de dépôt d'une fine couche sur un substrat à partir d'un état gazeux qui permet d'obtenir des faibles épaisseurs égales voire inférieures au micron. Ainsi, dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, une couche de recouvrement 40 d'oxyde TEOS de 0.5 à 1 micron (selon l'épaisseur des irrégularités de surface) est déposée par PECVD à une température inférieure à 400°C afin de ne pas détériorer les composants recouverts. La diffusion du cuivre peut effectivement se produire à partir de 420°C. Comme expliqué précédemment et représenté sur les figures, les irrégularités de surface 32 engendrent les mêmes irrégularités de surface 5 42 pour la couche de recouvrement 40. Dépôt de la couche sacrificielle Le procédé selon l'invention commence par le dépôt conforme d'une 10 couche sacrificielle 50 sur la couche de recouvrement 40. Par conforme, on entend que la surface de la couche sacrificielle 50 suit la topologie de la surface de la couche de recouvrement 40. En d'autres termes, les irrégularités de surface 42 engendrent à leur tour les mêmes irrégularités 52 pour la couche sacrificielle 50, comme représenté sur la figure 4. 15 L'épaisseur de cette couche sacrificielle 50 est avantageusement comprise entre 1 et 3 fois la hauteur des irrégularités de surface 32 du substrat 30, comptée depuis la surface 34. On comprend en effet qu'il faut être sûr d'au moins recouvrir les irrégularités 42 de la couche de recouvrement 40, mais il est inutile qu'elle soit trop épaisse puisque c'est une couche sacrificielle, 20 et donc vouée à être éliminée. Le matériau de la couche sacrificielle 50 doit être de nature différente de celle du matériau de la couche de recouvrement 40, et en particulier être au moins aussi résistante au polissage. Autrement dit, la couche sacrificielle 50 est constituée d'un matériau tel que la vitesse d'enlèvement de matière 25 de la couche sacrificielle 50 est inférieure ou égale à la vitesse d'enlèvement de matière de la couche de recouvrement 40 lors du polissage. Avantageusement, la vitesse d'enlèvement de matière par polissage de la couche sacrificielle 50 est 20% inférieure à la vitesse d'enlèvement de matière par polissage de la couche de recouvrement 40. 30 Cela permet, comme on le verra plus bas, un polissage sélectif très efficace sur les pics. Les matériaux avantageux pour la couche sacrificielle 50 sont des matériaux durs, mais facilement déposables en une couche mince, notamment, les oxydes, les nitrures et les oxynitrures de métaux comme l'aluminium, le silicium, ou encore le hafnium (AI2O3, AIN, Si3N4, SiON, HfO2...). Ces matériaux sont avantageusement déposés par PECVD, de la même manière que pour la couche de recouvrement 40. Ainsi, dans un mode de réalisation particulièrement préféré, la couche sacrificielle est constituée de nitrure de silicium Si3N4 d'une épaisseur voisine de 3000A et déposée par PECVD dans une gamme de température toujours inférieure à 400°C pour également ne pas détériorer les composants enterrés. Polissage Après le dépôt de la couche sacrificielle 50, un polissage est mis en oeuvre. Avantageusement ce polissage est un polissage mécano-chimique (CMP). Le polissage CMP, « Chemical-Mechanical Polishing » en terminologie anglo-saxonne consiste en un polissage hybride par la combinaison d'une action chimique et d'une force mécanique. Un tissu, le «pad », est appliqué avec pression sur la surface en rotation du matériau. Une solution chimique, le « slurry », avantageusement contenant des microparticules en suspension, typiquement des colloïdes, est appliquée sur le matériau. Le slurry vient circuler entre la surface et le pad et décuple l'efficacité du polissage. La technologie CMP permet d'adapter avec précision les vitesses de polissage par le choix du couple slurry/pad en fonction du matériau à polir. En particulier, la vitesse d'enlèvement de matière du polissage mécano-chimique utilisé dans le procédé selon l'invention est avantageusement supérieure à 50 A/s pour la couche de recouvrement 40, et comprise entre 20 et 40 A/s pour la couche sacrificielle 50. Au début de l'étape de polissage, seule la couche sacrificielle 50 est attaquée. Conformément aux phénomènes présentés précédemment, une topologie résiduelle est maintenue au fur et à mesure du polissage, et ce jusqu'à ce que les irrégularités de surface 42 de la couche de recouvrement 40 soient atteintes. Le polissage permet alors un enlèvement de matière au moins aussi important au niveau des pics que des creux puisque les zones 42 sont exposées à l'étape de polissage sans que les zones 44 ne le soient. Cette situation intermédiaire est ainsi schématisée aux figures 5 puis 6. En continuant le polissage dans le cas où la couche de recouvrement 40 est en matériau moins résistant au polissage que celui de la couche sacrificielle 50, un phénomène appelé le «dishing » (de dish, assiette, en terminologie anglo-saxonne) peut survenir : l'enlèvement de matière au niveau des pics devient plus important qu'au niveau des creux, et des cuvettes apparaissent entre des reliquats 54 de la couche sacrificielle 50, comme l'on peut voir sur la figure 7. En fonction du choix du matériau de la couche sacrificielle 50 et de son épaisseur, il est possible de retarder le dishing au maximum, et d'obtenir théoriquement un état de surface parfait lorsque la totalité de la couche superficielle 50 finit d'être éliminée par le polissage. Alternativement, le polissage est partiel. Afin de ne pas affecter et risquer d'endommager la couche de recouvrement 40, il est alors préférable de ne pas continuer le polissage et de s'arrêter alors qu'il reste toujours un reliquat de matière 54 de la couche sacrificielle 50 dans les creux 44 présents entre les irrégularités de surface 42 (qui ont toutefois déjà été éliminées à ce moment). Avantageusement, le polissage est continué jusqu'à ce que l'uniformité, caractérisée par la variation de l'épaisseur de la couche de recouvrement 40, soit en dessous de 5%, voire en dessous de 3%. Gravure Dans le cas d'un polissage partiel, on procède ensuite avantageusement à une élimination sélective des reliquats 54 de la couche30 sacrificielle 50, par exemple grâce à une gravure sélective. L'homme du métier saura adapter les chimies utilisées pour cette gravure aux matériaux des couches sacrificielle 50 et de recouvrement 40. Avantageusement, on utilisera de l'acide phosphorique (H3PO4) chaud, tout particulièrement si la couche sacrificielle est en nitrure de silicium. Cette étape permet de retirer les restes de la couche sacrificielle 50 sans affecter la couche de recouvrement 40, dont l'état de surface s'est remarquablement amélioré. Il est possible de réitérer le procédé d'aplanissement selon l'invention autant de fois que l'on souhaite si l'on veut améliorer encore davantage la topologie et atteindre l'état de surface parfait 41 de la figure 2. Avantageusement on réalise en dernier lieu une étape dite de « polissage miroir » (polissage au moyen de tissus souples) qui vise à réduire la micro rugosité à une valeur finale de l'ordre de l'Angstrôm (sur une taille de scan de 2 par 2 microns). Cette étape de polissage de finition conduit à un enlèvement de matière très faible (par exemple 200A) sans détériorer l'uniformité de la couche de recouvrement 40. Utilisation du substrat aplani Une fois la surface du substrat ainsi préparée, on peut assembler par collage moléculaire ce substrat avec un autre, selon des techniques connues. Un recuit de renforcement de l'interface de collage peut être mis en oeuvre, à une température modérée inférieure à 400°C. L'un des deux substrats peut alors être aminci, mécaniquement et/ou chimiquement. Les étapes de finalisation des composants (formation des vias, interconnections, éventuelles superpositions d'autres couches) peuvent enfin se poursuivre de manière classiquement connue en soi. REVENDICATIONS1. Procédé d'aplanissement d'une couche de recouvrement (40) d'un substrat (30), la couche de recouvrement (40) présentant des irrégularités de surface (42) correspondant à des irrégularités de surface (32) du substrat (30), caractérisé en ce qu'il comprend des étapes de : (a) dépôt conforme d'une couche sacrificielle (50) sur la couche 10 de recouvrement (40) ; (b) polissage de la couche sacrificielle (50) et des irrégularités de surface (42) de la couche de recouvrement (40), la couche sacrificielle (50) étant constituée d'un matériau tel que la vitesse d'enlèvement de matière de la couche sacrificielle (50) est inférieure ou égale à la vitesse 15 d'enlèvement de matière de la couche de recouvrement (40) lors du polissage. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel 20 le polissage effectué à l'étape (b) est un polissage mécano-chimique. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel la vitesse d'enlèvement de matière du polissage est supérieure à 50 A/s pour la couche de recouvrement (40), et est comprise entre 20 et 40 A/s 25 pour la couche sacrificielle (50). 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le polissage effectué à l'étape (b) est un polissage partiel, des reliquats (54) de la couche sacrificielle (50) étant laissés dans des creux 30 (44) présents entre les irrégularités de surface (42) de la couche de recouvrement (40). 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le polissage partiel est effectué jusqu'à ce que la variation de l'épaisseur de la couche de recouvrement (40) soit inférieure à 5%. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, comprenant en outre une étape (c) d'élimination sélective des reliquats (54) de la couche sacrificielle (50). 7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'étape (c) consiste en une gravure à l'acide phosphorique. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche de recouvrement (40) est constituée d'un matériau choisi parmi l'un des matériaux suivants : tétraethoxysilane, silane. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche sacrificielle (50) est constituée d'un oxyde, un nitrure ou un oxynitrure, d'aluminium, de silicium ou de hafnium. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel la couche de recouvrement (40) et/ou la couche sacrificielle (50) est déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à une température inférieure à 400°C. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les irrégularités de surface (32) du substrat (30) sont des parties restantes d'une couche conductrice recouvrant initialement le substrat (30) et partiellement éliminée. 12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel les irrégularités de surface (32) sont constituées de cuivre. 20 25 30 5 13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le substrat (30) est constitué d'un matériau choisi parmi l'un des matériaux suivants : Si, SiC, SiGe, du verre, une céramique, un alliage métallique. 14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur de la couche sacrificielle (50) est comprise entre 1 et 3 fois la hauteur des irrégularités de surface (32) du substrat (30).