Intégrité des structures de petites dimensions et transfert de rugosité de bord de ligne 

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 Diaphonie et puissance consommée

La réduction des dimensions des lignes d’interconnexions génère également d’autres problèmes nuisibles au fonctionnement du circuit intégré.
La diaphonie (ou crosstalk en anglais) [DB99], correspond à l’apparition d’un signal parasite sur une ligne lorsqu’il y a un changement d’état électrique d’une ligne voisine. Cet effet est néfaste au fonctionnement du circuit puisqu’il peut causer des erreurs dans la transmission des données et augmenter le temps de propagation du signal. La diaphonie dépend fortement de la capacité inter-ligne ; minimiser cette capacité permet de réduire les effets de la diaphonie.
D’autre part, l’augmentation de la densité d’intégration et de la fréquence de fonctionnement des dispositifs joue un rôle majeur sur la puissance consommée.
d. Avec l’augmentation de la fréquence de fonctionnement des dispositifs, les effets inductifs ne sont plus négligeables et sont évidemment pris en compte dans le design du circuit.
Nous pouvons distinguer deux contributions à cette puissance consommée dans un circuit : la puissance statique et la puissance dynamique.
La puissance statique est relative au courant de fuite au niveau des transistors lorsqu’ils sont en position bloquante, et au courant de fuite dans les interconnexions. Les isolants utilisés au niveau des interconnexions ont des pertes diélectriques très faibles, comme nous l’avons mentionné précédemment.
La puissance dynamique correspond à la puissance consommée par le circuit à chaque activation des interconnexions ; elle est donnée par l’équation 1.2. La puissance dynamique dépend de α, le taux d’activité de la ligne (0 ≤ α ≤ 1), de C la capacité inter-ligne, f la fréquence d’utilisation de la ligne et VDD la tension d’alimentation du circuit. Pd yn = α·C· f ·VDD 2 (1.2)
La puissance consommée est un facteur déterminant dans les circuits intégrés, particulièrement pour les applications nomades. Avec l’évolution des technologies, la fréquence de fonctionnement augmente permettant d’améliorer les performances des dispositifs. Pour limiter la consommation de ces circuits, des solutions consistent à diminuer les courants de fuite aux niveaux des transistors et des interconnexions, et à diminuer la tension d’alimentation et la capacité des isolants inter-ligne.

Solutions technologiques

Nous venons de voir que le temps de propagation dans les interconnexions, la diaphonie et la puissance dynamique deviennent les facteurs limitant les performances des circuits intégrés. Nous allons voir dans cette partie comment diminuer ou conserver ces contributions, en particulier le temps de propagation défini par τ = RC.
Pour cela nous disposons de deux leviers : diminuer la résistivité du métal et diminuer la permittivité de l’isolant inter-ligne.

Diminution de la résistivité du métal

Au commencement, les interconnexions étaient fabriquées en aluminium. Ce matériau présente une faible résistivité (ρAl = 2,65 µΩ·cm), et est compatible avec les matériaux utilisés en microélectronique comme Si et SiO2. À partir des technologies 0,13 µm à STMicroelectronics, l’aluminium est remplacé par le cuivre qui présente l’avantage d’avoir une résistivité plus faible (ρCu = 1,67 µΩ·cm), permettant ainsi de réduire le délai RC. En effet, la résistance R d’une ligne conductrice est donnée par :R =S(1.3)
Ainsi le passage de l’aluminium au cuivre permet de réduire la résistance globale des lignes et donc le délai τ = RC. De plus, le cuivre permet une meilleure résistance à l’électromigration. Néanmoins, l’introduction du cuivre dans les interconnexions nécessite de revisiter les schémas traditionnels d’intégration. En effet, le cuivre peut diffuser dans les diélectriques de type SiO2 [SD93]. Il est donc nécessaire de l’encapsuler avec un matériau jouant le rôle de barrière à la diffusion, sans que celui-ci ne dégrade les propriétés du cuivre ou du diélectrique. De plus, le cuivre se grave difficilement et ne forme pas de composés volatils à température ambiante [Sch83, How91, Lee97].
L’autre levier pour minimiser ce délai consiste à réduire la capacité du diélectrique inter-ligne.

Réduction de la constante diélectrique

Jusqu’à la technologie 0,18 µm, le SiO2 était utilisé comme isolant dans les interconnexions à STMicroelectronics. L’oxyde de silicium présente de nombreuses caractéristiques physiques intéressantes au niveau de l’intégration technologique et de l’isolation électrique : il est très peu réactif chimiquement (ne réagit qu’avec l’acide fluorhydrique), et stable thermiquement (jusqu’à des températures supé- rieures à 1000 ◦C, possède une forte tenue mécanique (module d’Young supérieur à 50 GPa) ; il a un champ de claquage élevé (6 à 10 MV·cm–1) ainsi qu’une densité de courant de fuite très faible (inférieur à 10–10 A · cm–2 mesurée à 1 MV·cm–1), et enfin une permittivité relative (souvent appelée constante diélectrique) comprise entre 3,9 et 4,2 suivant la méthode de dépôt. On peut également rappeler que les techniques de dépôt du SiO2 sont largement maîtrisées, et qu’il se grave facilement en chimie fluorée [SR98].
Afin de réduire le délai de propagation τ = RC dans les interconnexions, des matériaux diélectriques à faible permittivité ont été introduits comme isolant inter-lignes (le terme « faible » signifiant plus faible que pour le SiO2). En anglais on utilise communément les lettres k ou κ pour désigner la permittivité relative des matériaux, et on utilise donc le terme de matériaux low-k lorsque l’on parle des matériaux à faible permittivité e. Afin de comprendre l’intérêt de ces matériaux, nous allons nous intéresser en premier lieu à l’origine de cette constante diélectrique.

Origine de la constante diélectrique

Un diélectrique a la propriété électromagnétique fondamentale d’être polarisable par un champ électrique appliqué.
Dans le cas des matériaux isolants solides, les porteurs de charges sont en majorité des charges liées (électrons et ions) qui ne peuvent donc pas se déplacer librement. Néanmoins, sous l’effet d’un champ électrique ces porteurs peuvent s’orienter ou se « déplacer » créant une polarisation dans le matériau. Dans le cas général, la polarisation du diélectrique possède trois contributions : la polarisation électronique, ionique et dipolaire (figure 1.5) [Fou00] :
1. La polarisation électronique correspond à la déformation du nuage électronique par rapport au noyau sous l’effet du champ électrique. Le barycentre des charges négatives (les électrons) ne se trouve plus confondu avec le barycentre des charges positives (le noyau) : un moment dipolaire est créé.
2. La polarisation ionique est le résultat du déplacement mutuel des ions positifs et négatifs présents dans le matériau lorsqu’un champ électrique est appliqué. L’allongement ou le rétrécissement de la liaison ionique provoque une modification du moment dipolaire.
3. La polarisation dipolaire provient de l’orientation préférentielle des dipôles permanents sous l’action du champ électrique. En l’absence de ce champ, les dipôles se distribuent arbitrairement et le moment dipolaire macroscopique moyen est nul.
Entre la polarisation -→P , la permittivité du matériau k et le champ électrique appliqué -→E , on a la relation suivante (pour un diélectrique linéaire isotrope) : -→ P = ε0(k –1)-→E avec ε0 est la constante diélectrique du vide. (1.4)

Propriétés requises pour les matériaux low-k

Pour être intégré, le matériau low-k doit satisfaire plusieurs conditions ; en particulier être hydrophobe, stable mécaniquement, thermiquement, physiquement et chimiquement lors des différents procédés d’intégration et enfin compatible avec les autres matériaux intégrés.
– Hydrophobicité : de l’eau peut diffuser à l’intérieur du matériau au cours des différents procédés d’intégration ou lors des remises à l’air. L’eau contient des liaisons fortement polaires O–H et possède donc une constante di- électrique très élevée de l’ordre de 80. Une très faible quantité d’eau pré- sente dans le matériau se traduit par une augmentation importante de sa constante diélectrique.
– Stabilité mécanique : le matériau low-k doit supporter les contraintes mécaniques des étapes de polissage mécano-chimique en fin d’intégration d’un niveau de métal. De plus, le matériau doit supporter les contraintes induites par les différences de coefficient de dilatation thermique des autres maté- riaux. Il doit également résister aux étapes de conditionnement finales (packaging et bonding).
– Stabilité thermique : le budget thermique au cours des procédés BEOL est de 450 ◦C. Le matériau low-k doit donc être déposé à une température infé- rieure ; et rester stable à ces températures.
– Stabilité physique et chimique : le matériau low-k ne doit pas être dégradé par les différents traitements au cours de l’intégration — gravure plasma, nettoyage, métallisation, polissage mécano-chimique.
– Compatibilité avec les autres matériaux : le matériau low-k doit avoir les propriétés d’adhésion adéquates, ne pas réagir avec les autres matériaux et avoir un coefficient de dilatation du même ordre de grandeur que les autres matériaux intégrés.
Ce cahier des charges est assez exigeant et se traduit dans la réalité par un compromis entre tous ces pré-requis. Nous allons maintenant présenter les matériaux low-k existants.

Développement de matériaux low-k

Les matériaux low-k peuvent être classés en deux catégories principales : les polymères organiques et les matériaux à base d’oxyde de silicium [Tre98, Mae03].
Les matériaux organiques
Les couches à base de polymères organiques [Mai04a, Mai04b] sont composés de longues chaînes carbonées et présentent une densité plus faible que le SiO 2. De plus les liaisons carbonées sont moins polaires que les liaisons Si–O. On peut ainsi obtenir des couches avec une constante diélectrique inférieure à 2,0. Mais ces couches ont des propriétés d’adhérence souvent faibles, et un promoteur d’adhérence doit alors être utilisé, ce qui complique l’intégration et augmente la constante diélectrique globale. De plus ils présentent un caractère hydrophile difficilement compatible avec une intégration en microélectronique à cause des problèmes de corrosion générés au niveau des lignes métalliques (particulièrement dans le cas des polymères fluorés, avec la formation d’acide fluorhydrique) ; et gé- néralement une faible conductivité thermique. Enfin, ces matériaux ont de faibles propriétés mécaniques comparées au SiO2 rendant leur intégration souvent impossible.

Solutions technologiques

Ces couches organiques furent de bons candidats pour remplacer les oxydes de silicium, mais présentent de nombreux inconvénients pour leur intégration, ce qui explique leur abandon au profit des matériaux organosiliciés, c’est-à-dire à base d’oxyde de silicium.
Les matériaux à base d’oxyde de silicium
Pendant de nombreuses années, l’oxyde de silicium était l’isolant par excellence en microélectronique, utilisé aussi bien pour l’oxyde de grille des transistors, leur isolation latérale, que pour isoler les interconnexions. C’est donc vers des dé- rivés d’oxyde de silicium que les industriels se sont tournés pour l’isolation des interconnexions.
Nous présentons dans la partie qui suit les différentes voies possibles pour ré- duire la constante diélectrique des couches à base d’oxyde de silicium, schématisées sur la figure 1.6 [Sha04].

Enjeux de l’étape de gravure

La gravure par plasma

On appelle plasma un milieu ionisé, globalement neutre, qui contient des ions (positifs ou négatifs), des électrons, et des espèces neutres (molécules, atomes, radicaux), qui sont soumis à des interactions collectives. Les plasmas utilisés en microélectronique sont des plasmas « froids », c’est-à- dire avec un faible taux d’ionisation (typiquement compris entre 10–6 et 10–2), par opposition aux plasmas « chauds » que l’on retrouve par exemple dans les ré- actions de fusion nucléaire. Les plasmas utilisés en microélectronique sont hors équilibre thermodynamique ; la température électronique (de l’ordre de 100 000 K) est très supérieure à la températures des ions et des neutres (autours de 300 K).
Le mécanisme de gravure par plasma est basé sur une synergie entre les ions et les neutres du plasma, correspondant à la combinaison de la gravure chimique et physique [Cob79a, Cob79b]. Ainsi, les vitesses de gravure obtenues peuvent être de 10 à 30 fois supérieures aux vitesses obtenues par les gravures chimiques ou physiques séparément. La synergie ions (action physique du plasma) et neutres (aspect chimique du plasma) se traduit par plusieurs mécanismes. Les ions peuvent pulvériser le substrat, dont les liaisons sont éventuellement fragilisées par l’action des neutres, ou peuvent graver le matériau en participant aux réactions chimiques (par l’apport d’énergie, et par leur nature chimique). Les neutres attaquent le matériau spontanément, avec l’assistance du bombardement ionique qui amplifie ces réactions chimiques en jouant sur les différentes étapes de la réaction (adsorption des réactifs, réaction entre les réactifs et le substrat, désorption des produits de gravure).
Dans des structures avec motifs, la compétition entre gravure (dans le fond des motifs, soumis au flux d’ions) et dépôt d’une couche de passivation (adsorption d’espèces chimiques sur les flancs des motifs, non bombardés par les ions) permet d’obtenir l’anisotropie de gravure.
Après la description des mécanismes de gravure par plasma, nous présentons dans la partie suivante les mécanismes de gravure par plasma des matériaux low-k de type SiOCH.

Gravure en chimie fluorocarbonée

Les matériaux SiOCH (poreux ou non), de par leur structure et composition, se gravent dans des conditions proches de celles du SiO2 ([Rue97, Zha01] pour la gravure du SiO2). On utilise des plasmas fluorocarbonés, CF4, C4F8, CH2F2, etc., souvent mélangés avec de l’argon, de l’oxygène, ou de l’azote. On forme ainsi des composés volatils à température ambiante COx, COFx, SiFx évacués par le système de pompage.
Pour les matériaux SiOCH poreux, la présence des pores influence les mécanismes de gravure de ces matériaux. Comme pour le SiO2 et le SiOCH dense, la gravure est contrôlée finement par la couche fluorocarbonée présente à la surface du matériau. La porosité du matériau contribue à la diffusion des espèces en profondeur, contrairement au cas du SiO2 et du SiOCH dense. On retrouve donc e surface du matériau une couche mixte de type « SiOCHF ». Possémé et al. ont mis en évidence deux régimes de gravure pour les matériaux poreux [Pos04b] :
1. Lorsque la vitesse de diffusion des espèces à travers la couche fluorocarbonée est inférieure à la vitesse de gravure de la couche d’interaction SiOCFH formée, le matériau est gravé avec une couche d’interaction d’épaisseur constante (jusqu’à une dizaine de nanomètres). La gravure est contrôlée par l’épaisseur et la composition de cette couche qui dépend des paramètres du plasma, de la composition du matériau et de sa porosité.
2. Lorsque la vitesse de gravure est plus faible que la vitesse de diffusion des espèces fluorocarbonées, la quantité d’espèces fluorocarbonées à la surface croît au cours du temps. L’augmentation de l’épaisseur de cette couche conduit à l’arrêt de la gravure ; on parle de phénomène d’etch stop en anglais.
Ainsi, la gravure des SiOCH poreux est un compromis entre la vitesse de diffusion des espèces dans les pores du matériau et la vitesse de gravure de la couche d’interaction formée à la surface du matériau.
Nous avons décrit succinctement les mécanismes de gravure des matériaux low-k, et nous allons maintenant nous intéresser à un second aspect important qui concerne le masque utilisé pour la gravure des motifs dans ces matériaux.

Stratégies de masquage

La miniaturisation des dispositifs a amené de nouvelles contraintes au niveau de l’étape de gravure, que l’on retrouve aussi bien en back-end qu’en front-end. En effet, pour transférer un motif dans un matériau, il faut protéger une partie de ce matériau par un masque, et graver sélectivement le matériau par rapport au masque. La sélectivité s’exprime sous la forme du rapport entre la vitesse de gravure du matériau à graver vmater i au ´ et la vitesse de gravure du masque vmasque : S = vmater i au ´ v masque (1.6)
Une bonne sélectivité est telle que S ≫ 1.
Pour réduire les dimensions des dispositifs, les longueurs d’onde utilisées en lithographie optique ont été réduites progressivement — depuis 1970, les longueurs d’onde utilisées ont été 436, 365, 248 et 193 nm — et on utilise, à l’heure actuelle en production, la lithographie 193 nm à immersion (notée i193 nm), qui permet d’augmenter l’ouverture numérique et d’améliorer ainsi la résolution [Bac07]. Ces améliorations, au niveau lithographie, entraînent une diminution du budget résine (épaisseur de résine photosensible), ce qui est critique pour la gravure des motifs. En effet, on se retrouve alors dans des cas où la sélectivité entre le matériau à graver et le masque en résine est trop faible pour pouvoir transférer le motif dans tout le matériau. Pour pallier ce problème, on utilise un masque en plus (dans le cas d’une couche structurée on parle de masque dur). Le principe est donc de transférer le motif de la résine dans ce masque par un procédé de gravure ; et d’utiliser ensuite ce masque pour la gravure du matériau.
Deux approches s’opposent dans le monde industriel : les masques métalliques [Bra04], généralement en nitrure de titane (TiN, approche choisie par STMicroelectronics pour la gravure des interconnexions) ; et les masques organiques, à base de polymères carbonés ou de carbone amorphe (approche la plus courante, IBM, Intel, TSMC, etc.) souvent appelée approche « tri-couches ». La figure 1.12 représente schématiquement les empilements utilisés avec les deux types de masques, après lithographie, avec les épaisseurs utilisées au cours de cette thèse.

Table des matières

Introduction
1 Défis des interconnexions en microélectronique 
1.1 Les interconnexions dans les circuits intégrés
1.2 Problématiques des interconnexions
1.2.1 Rappel sur la propagation du signal dans le transistor MOS
1.2.2 Délai de propagation du signal dans les interconnexions
1.2.3 Diaphonie et puissance consommée
1.3 Solutions technologiques
1.3.1 Diminution de la résistivité du métal
1.3.2 Réduction de la constante diélectrique
1.4 Défis de l’intégration du cuivre et des matériaux low-k
1.4.1 Structure damascène cuivre/low-k
1.4.2 Enjeux de l’étape de gravure
1.4.3 Nettoyage
1.4.4 Métallisation
1.4.5 Polissage mécano-chimique
1.4.6 Fiabilité des structures
1.5 Une intégration alternative : l’approche hybride
1.6 Objectifs de la thèse
2 Dispositifs expérimentaux et développements de procédés de gravure 
2.1 Matériaux étudiés
2.1.1 Les diélectriques à faible permittivité
2.1.2 Le masque métallique
2.1.3 Le masque organique
2.2 Principales techniques de caractérisation
2.2.1 Spectroscopies infrarouge à transformée de Fourier – FTIR
2.2.2 Éllipsométrie porosimétrique – EP
2.2.3 Spectroscopie de photoélectrons X – XPS
2.2.4 Mesure de contrainte résiduelle : méthode du rayon courbure
2.2.5 Microscopie à force atomique en trois dimensions : CD-AFM
2.3 Réacteurs et procédés de gravure
2.3.1 Plateforme de gravure métal – Lam Metal45™
2.3.2 Réacteur de gravure diélectrique – Lam Flex45™
2.3.3 Réacteur de gravure post-décharge – Shibaura RPA™
2.3.4 Développement de la gravure du tri-couche
2.3.5 Gravure des diélectriques avec le masque en nitrure de titane
2.3.6 Plasmas de post-traitements
2.3.7 Gravure des diélectriques avec le masque organique
2.3.8 Retrait du masque organique
2.3.9 Bilan
3 Intégrité des structures de petites dimensions et transfert de rugosité de bord de ligne 
3.1 Extensibilité des masques métalliques et organiques pour les futures technologies
3.1.1 État de l’art
3.1.2 Origine de la déformation des structures
3.1.3 Solutions
3.1.4 Bilan
3.2 Étude du transfert de rugosité de bord de ligne
3.2.1 Motivations
3.2.2 Limitations du CD-AFM : usure des pointes
3.2.3 Protocole expérimental
3.2.4 Expériences sur le transfert de rugosité de bord de ligne
3.2.5 Discussion
3.3 Conclusion et perspectives
4 Intégration d’un diélectrique hybride pour la fabrication des interconnexions 
4.1 Mécanismes de gravure du matériau hybride
4.1.1 Gravure en chimie fluorocarbonée
4.1.2 Traitements plasmas post-gravure
4.2 Intégration du matériau hybride avec libération de porogènes après gravure
4.2.1 Efficacité du retrait des porogènes après gravure
4.2.2 Efficacité du retrait des porogènes après gravure et attaque HF
4.2.3 Retrait des porogènes dans les structures intégrées
4.2.4 Bilan sur l’approche hybride avec libération des porogènes après gravure
4.3 Intégration du matériau hybride avec libération de porogènes après métallisation
4.3.1 Polissage mécano-chimique sur le matériau hybride
4.3.2 Retrait des porogènes
4.3.3 Caractérisations électriques
4.3.4 Bilan sur l’approche hybride avec libération des porogènes après métallisation
Conclusion et perspectives 
Bibliographie 

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