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ayant pour objet : Couches polymères pour circuits électroniques
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L'invention concerne des circuits électroniques comportant des couches polymères utilisées en tant que couches isolantes et diélectriques.
Les progrès continuels accomplis dans la technologie des circuits à très haut niveau d'intégration ont conduit à une plus grande densité d'implantation et à une réduction des dimensions fixées par les règles de conception. Ceci a fait apparaître le besoin de matières diélectriques nouvelles et perfectionnées pour l'utilisation dans diverses structures de dispositifs. Par exemple, l'étroite proximité de divers éléments conducteurs dans un circuit à très haut niveau d'intégration a fait apparaître le besoin d'une matière diélectrique ayant une constante diélectrique faible de façon à réduire les capacités parasites. Une rigidité diélectrique élevée est également exigée, du fait de la faible distance entre divers éléments conducteurs dans les circuits à très haut niveau d'intégration.
L'utilisation de deux niveaux de métallisation, ou plus, crée le besoin d'une matière diélectrique ayant d'autres propriétés spécifiques. Par exemple, il est souhaitable dans certains cas que le diélectrique soit appliqué à une température relativement basse afin de ne pas affecter défavorablement le circuit à plusieurs niveaux. Dans d'autres cas, le traitement de tels circuits à plusieurs niveaux fait fréquemment intervenir l'utilisation de températures relativement élevées vis-à-vis desquelles la matière diélectrique doit être stable. De plus, les tailles d'éléments réduites et les, tensions appliquées plus élevées qu'on trouve dans de nouveaux dispositifs à très haut niveau d'intégration peuvent exiger de nouvelles matières pour la vitrification et l'encapsulation.
Des propriétés souhaitables pour des couches diélectriques utilisées dans des circuits à très haut niveau d'intégration sont les suivantes : de faibles constantes diélectriques pour minimiser les capacités parasites, une
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stabilité thermique élevée de façon à permettre un traitement ultérieur du circuit à des températures élevées, une température d'application relativement basse pour minimiser la détérioration du circuit sous l'effet de l'application du diélectrique, une rigidité diélectrique élevée, une bonne adhérence, une bonne intégrité des couches (c'est-à-dire l'absence de craquelures) et la stabilité chimique, en particulier vis-àvis de l'eau et de la vapeur d'eau.
Une telle matière diélectrique serait d'une très grande valeur, en particulier pour l'application à des circuits à densité élevée, du fait que les capacités parasites réduites permettraient des vitesses plus élevées et que la stabilité thermique procurerait une plus grande souplesse dans le traitement de tels circuits.
Un certain nombre d'études ont été faites sur l'utilisation de couches polymères dans des circuits électroniques, aussi bien en tant que couche d'isolant et d'encapsulation que comme couche de passivation. Les plus remarquables d'entre elles sont les suivantes : dans un article intitulé"Correlation of Chemical and Electrical Properties of Plasma-Deposited Tetramethylsilane Films", Journal of Applied Physics, 52 (2), 903 (1981), A. Szeto et D. W. Hess ont étudié les propriétés de couches de tétraméthylsilane présentant un intérêt dans la fabrication de circuits électriques. Des études similaires ont été effectuées pour des couches polymères fabriquées par polymérisation d'hexaméthyldisiloxane induite par plasma. Ces études ont été rapportées dans les articles suivants : M.
Maisonneuve et col., Thin Solid Films, 44, pages 209-216 (1977) ; M. Aktik et col., Journal of Applied Physics, 51 (9), pages 5055-5057 (1980) ; M. Maisonneuve et col., Thin Solid Films, 33, pages 35-41 (1976) ; et J. E. Klemberg-Sapieha, Applied Physics Letters, 37 (1), pages 104-105 (1980) ".
L'invention procure un dispositif électrique à semiconducteur comprenant une matière semiconductrice et
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des éléments conducteurs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de polysiloxane formée par polymérisation induite par plasma d'au moins un alkylalcoxysilane avec les groupes alkyle et alcoxyle contenant jusqu'à 3 atomes de carbone.
Un mode de réalisation préféré de l'invention procure un circuit électrique dans lequel une partie au moins d'une surface du circuit est recouverte par une couche de polysiloxane déposée par plasma, dans laquelle le monomère est un alkylalcoxysilane. Les groupes alkyle et alcoxyle ne doivent pas contenir plus de trois atomes de carbone. On peut citer à titre d'exemples caractéristiques le triméthylméthoxysilane, le diméthyldiméthoxysilane, le triéthyléthoxysilane, etc. Le monomère triméthylméthoxysilane est préféré à cause d'une constante diélectrique faible, d'une tension de claquage élevée, de faibles contraintes dans la couche et d'un degré raisonnable de stabilité thermique ainsi que d'un caractère fortement hydrophobe.
La couche de polymère est utile pour une grande variété de circuits électriques, à haute fréquence, à basse fréquence, à courant continu, etc. Un circuit comprend de façon caractéristique un substrat, des éléments conducteurs, des connexions d'entrée, des connexions de sortie, etc. Ces couches sont très avantageuses lorsque certains au moins des écartements entre conducteurs sont très faibles (c'est-à-dire de l'ordre de 2 um ou moins) et des fréquences du circuit (ou des temps
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d'accès correspondants) sont très élevées (c'est-à-dire supérieures à Elles sont également très avantageuses lorsqu'on utilise une métallisation en aluminium ou une autre métallisation dans le cas où des cycles thermiques sont exigés.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 montre un graphique représentant les
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mêmes données relatives à la constante diélectrique pour des couches de polysiloxane formées à partir de divers alkylalco-
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xysilanes ;
La figure 2 montre un graphique représentant les mêmes données concernant la tension de claquage pour des CD couches de polysiloxane formées à partir de divers alkylalcoxysilanes ;
La figure 3 montre un graphique représentant les mêmes données concernant l'effet thermique sur l'épaisseur de couche pour des couches de polysilcxane formées à partir de divers alkylalcoxysilanes ;
La figure 4 montre une coupe d'une partie d'un circuit intégré caractéristique, faisant apparaître certains détails d'un tel circuit comprenant une couche de recouvrement en polysiloxane ;
La figure 5 montre une coupe d'une partie d'un circuit intégré plus complexe, avec une matière de recouvrement formée conformément à un mode de réalisation de l'invention ;
et
La figure 6 montre une coupe d'une partie d'un circuit intégré dans lequel on utilise du polysiloxane en tant que diélectrique interniveau pour séparer deux niveaux de métallisation en aluminium.
On a découvert que certains polymères contenant du silicium et formés par polymérisation par plasma de cer-
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tains composés organiques contenant du silicium donnent des CD couches polymères de polysiloxane avec d'exceptionnellement bonnes propriétés pour l'utilisation dans des circuits intégrés, en particulier des circuits du type à très haut niveau d'intégration, avec des densités élevées d'éléments de circuit et des temps d'accès courts (de façon caractéristique inférieurs à 10-6 ou zo seconde). Ces couches peuvent être avantageuses pour une grande variété de circuits.
De tels circuits comportent de préférence une matière semiconductrice (par exemple du silicium, du germanium, de
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l'arséniure de gallium, etc), un substrat (qui est souvent également la matière semiconductrice), des éléments conducteurs (par exemple en aluminium) et diverses régions dopées.
Divers alkylalcoxysilanes sont utilisables en tant que monomères, à condition que le nombre d'atomes de carbone dans le groupe alkyle et le nombre d'atomes de carbone dans le groupe alcoxyle ne dépassent pas trois. On peut généralement utiliser jusqu'à 20% de substances n'appartenant pas à cette classe pour modifier les propriétés du polymère (charges, agents réticulants, modificateurs de propriétés de diverses sortes, etc). Cependant, pour la
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1 plupart des applications, le monomère doit essentiellement consister en une substance de la classe indiquée ci-dessus.
On peut utiliser pour le monomère plus d'un alkylalcoxysilane, bien qu'on utilise habituellement un seul monomère.
Les monomères préférés sont les alkylalcoxysilanes dans lesquels les groupes alkyle sont des groupes méthyle. Le monomère le plus préféré est le triméthylméthoxysilane, du fait que le polymère résultant a une très faible constante diélectrique, une stabilité thermique élevée et d'excellentes propriétés d'adhérence. Ces propriétés sont très avantageuses pour de nombreuses applications de circuit, pour un certain nombre de raisons. La constante diélectrique limite souvent les temps d'accès et les fréquences d'horloge dans de nombreux circuits logiques et de mémoire. Des cycles thermiques sont souvent imposés dans la fabrication de circuits intégrés, en particulier ceux contenant des éléments conducteurs en aluminium.
L'adhérence est particulièrement importante dans les applications d'encapsulation et lorsqu'on utilise des couches conductrices multiples.
L'épaisseur des couches peut varier dans de larges limites (elle peut souvent descendre jusqu'à 0,05 jum) et elle dépend habituellement de l'application particulière.
Une plage caractéristique s'étend de 0,2 à 100 micromètres.
Dans de nombreuses applications de circuit, des épaisseurs
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de 0, 5 à 10 micromètres donnent habituellement des résultats satisfaisants. Dans de nombreuses applications, la couche doit être aussi mince que possible ; sans entraîner des effets nuisibles. Par exemple, dans certaines applications de circuit, il est souhaitable de minimiser l'épaisseur afin de minimiser les effets de capacité, mais de maintenir une épaisseur suffisante pour éviter un claquage en tension et une diffusion à travers la couche. Une épaisseur optimale de ce point de vue est souvent comprise entre 0, 5 et 2 micromètres.
On utilise une procédure de décharge par plasma pour produire la couche polymère à partir du monomère. On obtient des résultats satisfaisants avec diverses procédures classiques décrites en détail dans un certain nombre de livres et de documents. On peut citer comme livres caractéristiques : Techniques and Applications of Plasma Chemistry, publié sous la direction de J. R. Hollaban et A. T. Bell (Wiley-Interscience, New York, 1974), en particulier le chapitre 5 par M. Millard, page 177 ; et Plasma Polymerization, publié sous la direction de M. Shen et A. T. Bell, ACS Symposium Series n 108 (American Chemical Society, Washington, D. C., 1979).
L'appareil particulier qui a été utilisé dans les expériences décrites ci-dessous est caractéristique du matériel utilisé pour la polymérisation induite par plasma.
Les couches ont été déposées dans un réacteur à plaques parallèles et à circulation radiale, de 40 cm de diamètre.
L'écartement entre les électrodes était d'environ 2 cm et la fréquence de fonctionnement d'environ 13, 56 MHz. La plaque correspondant à l'électrode excitée en RF comme celle mise à la masse (suscepteur) étaient refroidies par eau, à une température d'environ 35-40 C.
On a utilisé des agents réactifs obtenus dans le commerce et n'ayant fait l'objet d'aucune préparation supplémentaire. Tous les produits chimiques utilisés étaient
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liquides à la température ambiante et on a réglé les débits en utilisant une valve à aiguille pour donner une pression générale de 6,5 Pa en l'absence de plasma. La pression sans introduction de monomère était d'environ 0, 65 Pa. On a fait fonctionner le plasma à environ 50 V et on a déposé des couches sur un substrat de silicium nettoyé préalablement et monté sur la plaque inférieure reliée à la masse.
On a déterminé l'épaisseur et l'indice de réfraction des couches par ellipsométrie, avec un instrument du type Ellipsometer II (Applied Materials Corp), en effectuant une vérification des épaisseurs de couches avec un instrument Nanospec (Nanometrics). On a déterminé les caractéristiques stoechiométriques à partir de mesures de rétrodiffusion de Rutherford. On a obtenu des mesures de contraintes dans les couches en utilisant un procédé faisant appel à un faisceau laser dans lequel on détermine les contraintes à partir de variations induites dans le rayon de courbure d'un substrat après le dépôt d'une couche.
On a effectué des mesures d'angle de contact en utilisant un goniomètre du type Rame-Hart.
On a déterminé les propriétés électriques en évapo- rant tout d'abord sur les couches des points en Al et, dans le cas de la détermination de la constante diélectrique, en établissant une courbe C-V et en mesurant la capacité par accumulation. On a effectué des mesures de tension de claquage en contrôlant 100 points par couche et en mesurant la tension nécessaire pour faire passer un courant de 2 uA.
On a utilisé dans ces expériences divers monomères, correspondant à des rapports molaires O/Si allant de zéro (tétraméthylsilane) ou 1 (triméthylméthoxysilane) à 4 (tétraméthoxysilane). Les expériences ont montré que la vitesse de dépôt est fondamentalement la même (environ 6 nanomètres par minute) pour des rapports O/Si allant de un à quatre. La contrainte dans les couches est pratiquement égale à zéro pour des rapports O/Si égaux à zéro et elle augmente à partir
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d'environ 3 à Pa lorsque les rapports O/Si augmentent de un à quatre. De telles contraintes sont tout à fait raisonnables pour la plupart des applications, y compris l'utilisation dans des circuits.
Les polymères de type polysiloxane deviennent moins hydrophcbes lorsque le rapport O/Si augmented un à quatre, et le caractère hydrophobe est le plus marqué pour le tétraméthylsilane et le triméthylméthoxysilane. L'indice de réfraction diminue modérément lorsque le rapport O/Si augmente de 0 à 4.
Le comportement diélectrique de la couche en fonction de sa composition présente une importance particulière.
La figure 1 montre une représentation graphique de la constante diélectrique en fonction de la composition de la couche (exprimée au moyen de la matière de départ monomère). Comme indiqué ci-dessus, une constante diélectrique faible est très avantageuse dans les applications correspondant aux circuits les plus récents. La constante diélectrique est minimale pour un rapport O/Si égal à un (ce qui correspond au monomère triméthylméthoxysilane). Le polymère résultant de la polymérisation du triméthylméthoxysilane induite par plasma est le plus préférable, dans une-large mesure à cause de cette faible constarte diélectrique et d'autres propriétés favorables de ce polymère.
On a également mesuré la rigidité diélectrique des couches. La rigidité diélectrique était très faible pour un rapport O/Si égal à 0 et 4. Les valeurs moyennes étaient inférieures à 100 V/im. Cependant, pour un rapport O/Si égal à 1 et 3 (correspondant respectivement au triméthylméthoxysilane et au méthyltriméthoxysilane), on a obtenu une tension de claquage moyenne supérieure à plusieurs centaines de volts par micromètre.
Un moyen commode pour évaluer les caractéristiques de claquage d'une couche consiste à représenter graphique-
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ment la population"anormale"en fonction de la composition du monomère. La population"anormale"est le pourcentage de
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points contrôlés qui ont des tensions de claquage inférieures à 100 V/um. De telles données sont représentées sur la figure 2 pour divers monomères de départ. Les valeurs particulièrement faibles pour des rapports O/Si de 1 et 3 sont très avantageuses dans des applications faisant intervenir des circuits électriques. Les valeurs correspondant aux autres rapports O/Si peuvent être plus élevées, à cause de la mollesse des couches et de la sonde utilisée dans les mesures.
On a également examiné les propriétés thermiques de plusieurs couches de polysiloxane. On a effectué ceci en exposant la couche à une température de 300 C pendant une heure dans l'air et en mesurant le pourcentage de réduction de l'épaisseur de la couche. Les résultats de ces expériences sont présentés sur la figure 3. Le pourcentage de réduction d'épaisseur est ici représenté graphiquement en fonction du rapport O/Si du monomère utilisé. Bien que toutes les couches polymères présentent une excellente stabilité thermique, la stabilité thermique de la couche polymère formée à partir de triméthylméthoxysilane est particulièrement bonne. L'épaisseur n'a diminué que d'environ 2,5% après exposition au traitement thermique décrit ci-dessus.
Bien que toutes les couches polymères formées à partir de monomères consistant en alkylalcoxysilane présentent d'excellentes propriétés, en particulier pour des applications en électronique, les couches polymères formées à partir de triméthylméthoxysilane présentent d'exceptionnellement bonnes propriétés pour de telles applications. La constante diélectrique et la contrainte dans la couche sont minimales ou presque minimales, tandis que des propriétés telles que le caractère hydrophobe, la rigidité'diélectrique et la stabilité thermique sont maximales ou presque maximales.
Des expériences supplémentaires ont montré que des couches polymères formées par polymérisation de triméthylméthoxysilane induite par plasma ont une excellente adhérence,
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comme le démontre le test d'arrachement avec une bande adhésive, et résistent à un traitement de définition de motif sur une surface topographique. On peut aisément définir un motif dans la couche en utilisant un plasma de CF4 + 02'mais la couche est très résistante à un plasma de 02'Ceci permet le décapage par plasma d'une matière de réserve photographique en présence de la couche de polysilcxane. La stabilité thermique est particulièrement remarquable, comme le montre le fait que la couche ne se contracte que de quelques pour cent, même à 450 C en présence d'un gaz de formation ou d'azote.
La figure 4 montre une coupe d'un circuit intégré caractéristique 40 avec divers éléments indiqués par les légendes (comme des canaux , des canaux n, etc). On peut commodément décrire le circuit comme étant un circuit CMOS (métal-oxyde-semiconducteur complémentaire), avec une structure à un seul caisson et un seul niveau de silicium polycristallin, respectant des règles de conception du niveau de cinq micromètres. Les éléments précis du circuit intégré ne sont pas d'une grande importance pour la compréhension de l'invention et on ne les décrira que brièvement. Le substrat des circuits consiste en silicium dopé de façon relativement forte avec le type n (soit de façon caractéristique un dopage au phosphore dans la plage de concentration de l'ordre de
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f atomes par centimètre cube).
Cette région est marquée
1018 n+ sur le schéma. Une région plus faiblement dopée (marquée n-) couvre la région n+, et diverses autres régions portent des marquages désignant par exemple des régions de caisson PCAISSOI, T, des canaux n+ et des canaux On utilise la région"ARRET DE CANAL"pour isoler électriquement une région d'une autre. Le circuit comprend également une région d'oxyde 41. Cet oxyde consiste habituellement en SiO2 et on l'appelle souvent région d'oxyde de champ. On voit également une région en silicium polycristallin 42 et une région en aluminium 43, ainsi qu'une région en verre 44 (habituellement du verre au phosphore). L'ensemble du circuit est recou-
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vert par une couche 45 de polysiloxane polymérisé par plasma.
L'épaisseur de la couche varie habituellement entre 0,5 et
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2 um.
La figure 5 montre une coupe latérale d'un circuit CMOS plus complexe 50, avec des régions PAISSON et CD CAISSON que des canaux de type p et des canaux de type n y a également des régions ayant un fort dopage de type p et un fort dopage de type n (n+). Certaines régions comportent de très fines couches d'oxyde 51, consistant habituellement en Si02 et certaines ont des couches d'oxyde 52 plus épaisses (encore habituellement en SiO), qu'on appelle souvent oxyde de champ. Il existe également une couche de TaSi2 53 (on utilise souvent du silicium polycristallin dans le même but) et diverses couches conductrices 54 qui sont habituellement en aluminium. On utilise également dans la structure des couches de verre au phosphore 55.
On forme une couche de recouvrement 56 en déposant sur l'ensemble de la structure une couche de polysiloxane par polymérisation de triméthylméthcxysilane induite par plasma. On utilise cette couche en tant que couche protectrice et elle a habituellement une épaisseur d'environ un micromètre.
La figure 6 montre une structure 60 un peu plus complexe, et un grand nombre des éléments représentés sur la
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figure 6 comprennent un oxyde de grille 61, un oxyde de champ 62, une couche de TaSi2 63, une couche de verre au phosphore 64 et une couche d'aluminium 65. On voit également la couche de polysiloxane 66 qui recouvre une grande partie du circuit. Une différence particulière entre ce circuit et le circuit représenté sur la figure 5 réside dans l'utilisation d'une couche de métal supérieure, en aluminium, destinée à venir sélectivement en contact avec une couche de métal inférieure, en aluminium.
On utilise ici le polysiloxane non seulement en tant que couche d'encapsulation, mais également en tant que diélectrique interniveau destiné à séparer le
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niveau d'aluminium supérieur par rapport au reste du circuit.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention.