FR2620860A1 - Procede et structure pour obtenir une faible resistance de contact avec l'aluminium et ses alliages avec depot selectif de tungstene - Google Patents

Abstract

Un contact à faible résistance est formé entre du tungstène 14 déposé sélectivement et une couche d'aluminium 12 reposant sur le fond d'une ouverture de voie dans une couche diélectrique 11 par dépôt du tungstène à une température supérieure à 350 degre(s)C et de préférence inférieure à 450 degre(s)C. L'invention est plus particulièrement applicable à la fabrication de dispositifs à circuits intégrés de dimensions micronique et sous-micronique car elle permet de déposer du matériau électriquement conducteur dans des ouvertures de voies où le rapport de la hauteur à la largeur est élevé.

Description

La présente invention concerne des procédés utilisés dans la fabrication

de dispositifs à circuit intégré, particulièrement

des dispositifs présentant des passages, ou voies, avec des ouver-

tures de diamètre inférieur à un ou deux microns. De façon plus particulière, la présente invention concerne un procédé et la

structure qui en résulte o l'on amène du tungstène déposé sélec-

tivement à présenter une résistance de contact faible avec de l'aluminium. En conséquence, la présente invention fournit un mécanisme pour réaliser un contact à faible résistance entre des couches de métallisation dans des dispositifs à circuit intégré, en particulier des dispositifs à circuit intégré à très haut degré d'intégration. Comme les dimensions des motifs de circuit utilisés dans les dispositifs à circuit intégré sont réduites à un micron et

moins, la mise en place de métal dans les ouvertures dans les maté-

riaux diélectriques de façon à réaliser un contact électrique entre

conducteurs situés dans des couches différentes devient plus diffi-

cile. Il est souhaitable que les dimensions de ces ouvertures soient aussi faibles que la dimension du motif pour rendre aussi

élevée que possible la densité des dispositifs sur la micro-

plaquette. Par contre, l'épaisseur de la couche diélectrique qui isole une couche de conducteur de l'autre ne diminue généralement pas proportionnellement à la réduction de la dimension latérale à cause d'autres considérations comme la capacité intercouches. Le résultat de cette situation est la présence d'ouvertures de voies avec des rapports profondeur à diamètre qui augmentent à des valeurs de un ou plus. Il est difficile de remplir efficacement des ouvertures présentant un rapport aussi élevé entre la hauteur et la

largeur avec un matériau de liaison conducteur. Même avec des pro-

cédés de dépôt physiques à grand angle, comme la pulvérisation cathodique, des difficultés sont rencontrées pour remplir ces ouvertures avec un revêtement de métal suffisant sur les parois pour fournir des circuits ayant la fiabilité souhaitée. Le dépôt chimique en phase vapeur, en particulier le dépôt sélectif en phase vapeur qui amorce la croissance sur un conducteur sous-jacent au fond d'une ouverture sans croissance sur une surface diélectrique,

est, cependant, un moyen de résoudre ce problème. Un procédé sélec-

tif au tungstène, épais, a été utilisé pour remplir des voies,

procédé utilisant une première couche de métallisation en molyb-

dène. On a montré que ces procédés produisent une faible résistance de contact à cause de l'utilisation de molybdène. De tels procédés sont décrits par exemple dans "Proceedings of the Symposium on Multilevel Metallization, Interconnection and Contact Technologies"

par R.W. Stoll et R.H. Wilson, Proceedings Vol. 87-4, The Electro-

chemical Society, Pennington, NJ, 1987, page 232 et IEEE Electron Devices Letters, EDL-8, 55 (1987) par D.M. Brown et aI. Dans de tels procédés, on utilise une seconde couche de métal tel que de l'aluminium et, dans le futur, il sera souhaitable d'ajouter encore une autre couche qui nécessiterait aussi des ouvertures de voies vers les configurations d'aluminium. En outre, la plupart des procédés de fabrication de circuits intégrés utilisent l'aluminium ou ses alliages comme premier niveau de métal et, par conséquent, comportent des voies vers l'aluminium pour les procédés à deux niveaux de métal. Par conséquent, tant maintenant que dans le futur, il est extrêmement souhaitable de former des contacts

fiables de faible résistance avec l'aluminium et ses alliages à.

travers des ouvertures de voies dans des couches diélectriques.

Réaliser ces contacts à faible résistance avec de l'alu-

minium, avec un second niveau d'aluminium, est un problème qui

nécessite en général une étape de gravure par pulvérisation catho-

dique pour enlever l'oxyde d'aluminium de la surface avant de déposer un second niveau d'aluminium dans une voie. Les documents publiés antérieurement (T. Moriya et al., IEEE Technical Digest, IEDM (IEEE, New York, 1983) pages 550) indiquent que, par dépôt sélectif de tungstène sur de l'aluminium, on obtient une résistance

de contact élevée.Cette résistance de contact élevée a été confir-

mée par d'autres spécialistes de ce domaine. Il serait souhaitable d'obtenir une faible résistance de contact entre du tungstène déposé sélectivement et de l'aluminium de façon qu'un procédé sélectif au tungstène puisse être utilisé pour remplir les voies vers les configurations conductrices d'aluminium, spécialement pour

des applications aux circuits intégrés.

Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, un procédé pour réaliser un contact de faible résistance avec de l'aluminium à travers des ouvertures de voies dans une couche diélectrique recouvrant l'aluminium (en particulier sur une os tranche de circuits intégrés) comprend l'étape de dépôt sélectif de tungstène dans l'ouverture de voie à une température de tranche supérieure à environ 350 C. La température utilisée n'est cependant pas élevée au point d'endommager l'aluminium. En particulier, la

présente invention fait apparaître'qu'une modification significa-

tive de la résistance de contact se produit à une température critique entre environ 275 C et 350 C. En outre, dans le but d'éviter la formation de buttes dans les structures d'aluminium, le procédé selon la présente invention est de préférence mis en oeuvre à une température inférieure à environ 450 C. Le procédé selon la présente invention a pour résultat une structure possédant des propriétés uniques. En particulier, la structure qui résulte comprend une liaison de tungstène dans l'ouverture de voie qui présente une résistance de contact spécifique, avec l'aluminium au fond de l'ouverture, inférieure à environ 2 x 10-8 ohm-cm2. Le procédé et la structure qui en résulte sont particulièrement

applicables à la fabrication de configurations conductrices multi-

couches dans des applications à des circuits à très haut degré d'agitation. Par conséquent, c'est un but de la présente invention de déposer du tungstène dans des ouvertures de voies de façon à former un contact à faible résistance avec de l'aluminium et/ou ses

alliages au fond d'une ouverture de voie.

C'est aussi un but de la présente invention de fabriquer des dispositifs à circuits intégrés à très haut degré d'intégration avec des ouvertures devoies ayant un rapport élevé entre hauteur et Largeur. C'est encore un autre but de la présente invention de fournir un procédé de remplissage d'ouvertures de voies ayant un

rapport profondeur-à-diamètre élevé.

C'est encore un autre but de la présente invention de fournir des moyens de réaliser un contact à faible résistance entre

des couches conductrices dans un dispositif à circuit intégré.

C'est aussi un autre but de la présente invention de

faciliter la fabrication de dispositifs à circuit intégre multi-

niveaux, en particulier ceux qui emploient l'aluminium et ses alliages. Enfin, mais sans que ceci soit limitatif, c'est un but de la présente invention de déposer sélectivement du tungstène dans des ouvertures de voies de diamètre inférieur à environ 1 ou 2 microns de manière à obtenir une faible résistance de contact spécifique avec l'aluminium et/ou ses alliages au fond d'ouvertures

de voies.

La caractéristique qui est considérée comme constitutive de l'invention est plus particulièrement indiquée et distinctement

revendiquée à la fin de la description. L'invention, cependant,

tant en ce qui concerne l'organisation et le procédé de mise en oeuvre, ainsi que d'autres de ses buts et avantages, sera mieux

comprise en se référant à la description suivante prise en relation

avec le dessin annexé, dans lequel: la figure représente une structure multi-couches telle

qu'elle peut être fabriquée avec le procédé selon l'invention.

Des tranches de matériau semiconducteur de diamètre de 101,6 mm (4 pouces) sont oxydées puis recouvertes d'une couche pulvérisée cathodiquement d'aluminium ou d'aluminium à 1 % en poids de silicium sur une épaisseur d'environ 5 000 angstr6ms (0,5 micron). Sur le film, est ensuite formée une configuration ayant une structure d'essai utilisée pour le premier niveau de métal dans une technologie CMOS à deux niveaux métalliques. Une couche de dioxyde de silicium, ayant une épaisseur de 0,4 ou 0,8 micromètre est ensuite déposée à une température d'environ 380 C par un dépôt chimique en phase vapeur renforcé par plasma (appelé PECVD). Des ouvertures vers le métal sous-jacent sont formées par photolithographie par projection et gravure ionique réactive. La couche résistive utilisée est enlevée dans un appareil à plasma d'oxygène non chauffé et les tranches sont nettoyées dans du PRS1000 chaud (produit fabriqué par The J. T. Baker Chemical Company, Pennsylvania, Etats-Unis d'Amérique) immédiatement avant

de charger les tranches dans une instaLLation de dépôt de tungs-

tène, certaines des tranches sont plongées pendant 30 secondes dans une solution d'acide fluorhydrique à.1 % qui enlève environ quelques centaines d'angstrâms (quelques centièmes de micron)

d'aluminium. La gravure est suivie d'un rinçage à l'eau désionisée.

Ces tranches sont appelées ici les tranches gravées. Les autres tranches ne reçoivent aucun autre traitement et sont appelées ici les tranches non gravées. Apres cette préparation, les tranches sont chargées dans l'une de quatre installations susceptibles de déposer sélectivement du tungstène sur des métaux en utilisant la réduction par l'hydrogène de l'hexafluorure de tungstène. L'une des installations est une installation expérimentale à parois froides désignée ici par R. Deux des installations sont des réacteurs à parois froides modifiés du type vendu commercialement par le dépôt de siliciure de tungstène ou tungstène de couverture et désignés ici par G1 et G2. La quatrième installation à réacteur est un four tubulaire à parois chaudes de conception habituelle et désigné ici par T. Dans toutes les installations à réacteurs, les tranches sont

chauffées à la température souhaitée dans une atmosphère d'hydro-

gène à des pressions de l'ordre de 0,4 à 1,1 Torr (53,3 à 146,7 N/m2). De l'hexafluorure de tungstène est introduit pendant une durée choisie afin de remplir approximativement les ouvertures dans l'oxyde vers le métal sous-jacent sauf pour le four tubulaire

dans lequel on n'a déposé qu'environ 0,1 micromètre de tungstène.

Pour le four tubulaire, on suppose que la température de tranche est la température d'un thermocouple inséré dans une gaine à l'intérieur du four. Pour les autres systèmes, les tranches sont placées sur une surface chauffée et par conséquent ne sont chauffées que d'un seul côté de sorte que, à ces pressions réduites, la température de tranche est considérablement plus faible que la température de la surface chauffante. Dans ces installations, la température de tranche a été estimée à partir de la vitesse de croissance du tunsgtène en utilisant des données de Broadbent et Ramiller (Journal of the Electrochemical Society, Vol. 131, page 1 427 (1984)). A la suite du dépôt de tunsgtène, les

tranches sont nettoyées avec du PRS1000 et on y pulvérise cathodi-

quement un film d'aluminium de 0,8 micromètre d'épaisseur dans lequel est formée ensuite une configuration pour réaliser un circuit apte aux essais électriques. Finalement, les tranches sont

recuites une heure à une température de 400 C sous hydrogène.

La résistance de contact de la structure métal-un/liaison tungstène/métaldeux est mesurée avec des voies de 1,8 micromètre de diamètre en utilisant une structure de Kelvin et des mesures en quatre points. Le tableau 1 indique les valeurs moyennes sur chaque tranche pour les procédés indiqués. Les résultats indiquent le caractère critique de la température et/ou de la vitesse de dépôt

employées ici comme le montre le tableau 1.

TABLEAU i

Tempéra- Vitesse Résistance Prépara-

ture croissance de contact Métal tion de Système C (A/min) moyenne un surface T 275 22 25,7 Al/1% Si non gravé T 275 22 149,0 Al/1% Si gravé G1 308 42 4,0 Al/1% Si gravé G1 308 42 4,4 Al/1% Si gravé G1 354 115 1,3 Al/1% Si gravé G1 354 115 69,7 Al/1% Si gravé G1 382 200 0,5 Al/1% Si gravé G1 382 200 0,2 AL/1%X Si gravé G1 393 300 0,2 Al gravé G1 393 300 0, 2 Al/1% Si gravé 417 375 0,1 AL/1 Si gravé G1 417 375 0,1 Al/1% Si gravé G2 44017 37550 0,1 Al/% Si gravé G2 440 550 0,1 A/1% Si gravé G2 440 550 0,4 Al/1% Si gravé Gi 460 750 0,1 AI/i% Si gravé TABLEAU 1 (suite)

Tempéra- Vitesse Résistance Prépara-

ture croissance de contact Métal tion de Système C (A/min) moyenne un surface G1 460 750 0,1 Al/1% Si gravé R 472 1 500 0,2 Al gravé R 472 1 500 0,4 AL/1% Si gravé R 500 2 200 0,3 AL/1% Si non gravé R 500 2 200 0,1 Al/1% Si gravé R 528 3 200 0,1 Al gravé R 528 3 200 0,3 Al/1% Si gravé Il est clair que, quand la température et la vitesse de dépôt augmentent, la résistance observée diminue jusqu'à ce que la température atteigne environ 350 C ou que la vitesse de dépôt atteigne environ 120 angstrâms (0,012 micro) par minute. Au-delà de ces valeurs, la résistance est à peu près constante. Il apparaît aussi que la préparation de surface de la surface sous-jacente n'est pas un facteur déterminant pour produire la faible résistance de contact souhaitée. De plus, il n'y a pas de différence apparente

de résultats entre l'utilisation de l'aluminium et celle de l'alu-

minium allié à 1 % de silicium.

On note aussi qu'une formation significative de buttes dans l'aluminium est observée avec les procédés à température plus élevée, mais non pour les procédés mis en oeuvre à des températures inférieures à 450 C. Ceci correspond bien à ce que l'on peut attendre à ces températures. D'autres éléments d'alliage avec

l'aluminium ou des structures en couches avec l'aluminium per-

mettent l'utilisation de températures plus élevées et les vitesses

de dépôt qui leur correspondent sans formation excessive de buttes.

Dans tous les cas, il est souhaitable que les procédés mis en oeuvre ici ne soient pas réalisés à des températures à ce point

élevées que les structures d'aluminium sont endommagées. En parti-

culier, le procédé est mis en oeuvre ici à une température infé-

rieure à 600 C-environ. Il est certainement encore préférable de mettre en oeuvre ici le procédé à une température inférieure à

4500C pour éviter la formation de buttes.

Une structure produite selon le procédé de la présente invention est représentée dans la figure mentionnée ci-dessus. En particulier, on voit que la configuration de métallisation de

niveau inférieur 12 comprenant de l'aluminium ou un alliage d'alu-

minium, est disposée sur une couche de matériau diélectrique 15, formée sur un substrat 10 qui comprend de façon typique un matériau

semiconducteur tel que du silicium. Au-dessus de cette configura-

tion de métallisation 12 est disposée une couche additionnelle 11 de matériau diélectrique, comprenant typiquement du dioxyde de

silicium. Selon le procédé décrit ci-dessus, la Liaison de tungs-

tène est déposée dans une ouverture dans le diélectrique 11 de façon à former un contact à faible résistance avec la métallisation 12. Une configuration de métallisation de niveau supérieur 13 peut aussi être alors déposée et configurée de façon à être en contact avec la liaison de tungstène 14. La couche de métallisation de

niveau supérieur 13 peut comporter de l'aluminium ou d'autres maté-

riaux conducteurs comme ceux que l'on emploie habituellement dans la fabrication des circuits à très hauts degré d'intégration. En particulier, la couche de métallisation 13 peut comporter du molybdène. Par conséquent, on voit à partir de ce qui précède qu'un

procédé pour réaliser un contact de faible résistance avec l'alu-

minium et ses alliages est efficace et peut être facilement réalisé dans des installations de traitement de circuits à très haut degré d'intégration employées habituellement. On voit en outre que le

procédé décrit ici étend l'utilité du tungstène déposé sélective-

ment et facilite sensiblement la fabrication de circuits micro-

niques et sous-microniques. On voit aussi que le procédé considéré contribue de façon significative à la fabrication de configurations conductrices multi-couches dans les circuits à très haut degré d'intégration utilisant l'aluminium et ses alliages. Ceci est une

caractéristique particulièrement intéressante de la présente inven-

tion puisque l'aluminium est un matériau métallique intéressant par ailleurs. Enfin, on voit que le procédé de la présente invention et la structure qui en résulte répondent à tous les objectifs fixés ci-dessus.

Bien que l'invention a été décrite ici en détail confor-

mément à certains de ses modes de réalisation préférés, l'homme de l'art pourra y apporter un grand nombre de modifications et de

changements. En conséquence, les revendications annexées ont pour

objet de couvrir toutes modifications et changements de ce type qui

tombent dans le domaine et l'esprit réels de l'invention.

Claims (17)

R E V E N D I C A T I 0 N S

1. Procédé pour réaliser un contact à faible résistance avec de L'aluminium et des alliages d'aluminium à travers une ouverture de voie dans une couche diélectrique recouvrant ledit matériau d'aluminium sur une tranche, ledit procédé étant caractérisé en ce

qu'il comprend une étape de dépôt du tungstène dans ladite ouver-

ture de voie et en contact avec ledit matériau d'aluminium, ledit dépôt étant réalisé à une température supérieure à environ 350 C mais non à une température élevée au point d'endommager ledit

matériau d'aluminium.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que

ladite température de dépôt est inférieure à environ 600 C.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2,

caractérisé en ce que ladite température de dépôt n'est pas élevée

au point de provoquer la formation de buttes.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que ladite température de dépôt est inférieure à

environ 450 C.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4,

caractérisé en ce qu'il comprend en outre le prétraitement de ladite tranche dans un bain acide pour graver sélectivement ledit matériau d'aluminium à travers ladite ouverture de voie avant le

dépôt de tungstène.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que

ledit acide est de l'acide fluorhydrique.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que ledit dépôt sélectif est réalisé dans un

réacteur à parois chaudes.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que ledit dépôt sélectif est réalisé dans un

réacteur à parois froides.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,

caractérisé en ce que ledit matériau d'aluminium contient du

silicium.

10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit

silicium est en quantité d'environ 1 % en poids.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que ledit dépôt de tungstène est réalisé à une vitesse supérieure à environ 120 amgstrôms (0,012 micron) par minute.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11,

caractérisé en ce que ledit dépôt est sélectif.

13. Contact à faible résistance réalisé selon le procédé de

l'une quelconque des revendications 1 à 12.

14. Structure multi-niveaux destinée à être utilisée dans des circuits intégrés, ladite structure comprenant une couche (12) comprenant des configurations conductrices de matériau d'aluminium, et une couche isolante (11) recouvrant lesdites configurations conductrices et comportant au moins une ouverture disposée dans cette couche de façon à exposer au moins une partie dudit matériau d'aluminium, caractérisée en ce qu'une liaison de tungstène (14) est disposée dans ladite ouverture, ladite liaison présentant une résistance de contact spécifique inférieure à environ 2 x 10 ohm-cm2

15. Structure selon la revendication 14, caractérisée en ce

que ledit matériau d'aluminium contient du silicium.

16. Structure selon la revendicaiton 15, caractérisée en ce

que ledit silicium est présent en quantité de 1 % en poids.

17. Structure selon la revendications 14, caractérisée en ce

qu'elle comprend en outre une couche additionnelle (13) comportant une configuration conductrice disposée de façon à être en contact électrique avec une surface supérieure de ladite liaison de

tungstène (14).