FR2720856A1 - Electrode de cablage pour dispositif à semi-conducteur et son procédé de fabrication. - Google Patents
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Abstract
L'invention a pour objet d'obtenir une structure de câblage d'électrode pour dispositifs à semi-conducteur qui puisse supprimer l'apparition des vides dans un câblage en alliage d'aluminium quelle que soit l'orientation du câblage. Un film isolant intercouches 11, une couche de titane 12, une couche de nitrure de titane 13 servant de couche barrière, une couche de câblage en alliage d'aluminium 15 et un film de protection 18 sont formés sur le dessus du substrat de silicium 10 pour composer la structure de l'électrode. Dans ce cas, une couche de relaxation des distorsions 14, avec une épaisseur de film supérieure à 10 nm et qui est un composé intermétallique comportant de l'aluminium et du titane dans sa composition, est formée entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche de câblage en alliage d'aluminium 15. A cause de cette couche de relaxation des distorsions, pour une largeur du câblage de 1 mum, le nombre des vides dans Al avec des largeurs supérieures à 0,3 mum est pratiquement réduit à 0.
Description
1 2720856
La présente invention concerne une électrode pour dispositif à semiconducteur et son procédé de fabrication. Plus particulièrement, elle est relative à un système métallique d'une électrode qui comporte une couche de câblage en alliage d'aluminium (qu'on désigne ci-après par couche d'alliage d'Al) et peut réduire les défauts (appelés pores ou vides dans Al) se produisant dans des couches d'alliage d'Al par suite de la miniaturisation. Ces dernières années, avec les progrès de la technologie des éléments d'intégration, les technologies pour la miniaturisation et la réalisation de couches multiples sont devenues essentielles. Avec les progrès en matière de miniaturisation, la nécessité de concevoir des largeurs plus fines pour le câblage dans une couche d'alliage d'Al s'est imposée. Mais, comme représenté en figure 4, les largeurs du fil devenant inférieures à 2 gm ou 3 jm, on sait que des vides se produisent à l'intérieur de la couche d'alliage d'Al. De tels vides sont produits comme une migration des contraintes due à la contrainte de traction se produisant à l'intérieur de la couche d'alliage d'Al pendant le traitement thermique. De plus, les vides dans Ai se produisent dans le cas o diverses couches minces sont formées en couches multiples car une telle structure à couches multiples provoque des contraintes de traction à
l'intérieur de l'élément.
Si ces vides dans Al deviennent sensiblement élevés, le facteur de fiabilité soulève un gros problème. Par exemple, les problèmes suivants peuvent se produire: déconnexion du câblage en alliage d'Al, augmentation de la résistance du câblage sous l'effet de la réduction de la section transversale de la couche d'alliage d'Al; destruction des éléments par suite du dégagement de chaleur; retards dans la vitesse de fonctionnement; électromigration due à l'application d'un courant intense, etc.
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Comme dans le passé, un procédé classique, qu'on a utilisé pour réduire les apparitions des vides dans Al, consiste à mélanger du cuivre dans l'électrode de câblage en aluminium et en silicium (Al-Si) pour former le câblage en Al-Si-Cu, o le cuivre agit pour
entraver le mouvement des atomes d'Al.
On décrit une telle électrode de câblage dans le brevet JP-A-63-152147. La publication indique que, si la surface des cristaux du câblage en AlSi-Cu est orientée dans le plan(lll), l'apparition des vides dans Al est réduite. En d'autres termes, comme le plan(lll) est rempli d'une manière la plus dense avec des atomes d'Al, le mouvement d'un atome d'Al est limité par les autres atomes d'Al, ou le mouvement des atomes d'A1 pour ménager la contrainte de traction à l'intérieur de la couche d'alliage d'Al est limitée, ce qui conduit à l'apparition moins grande des vides
dans Al.
Cependant, l'orientation du plan(lll) du câblage en Al-Si-Cu a une relation étroite avec la structure cristalline sous-jacente. Par exemple, comme décrit dans les brevets JP-B-3-3395, JP-A-4-42537 et JP-A-262127, on a constaté qu'il est difficile d'orienter correctement la surface des cristaux de l'alliage d'Al dans le cas o un film de nitrure métallique ayant un point de fusion élevé comme une
couche de nitrure de titane (TiN) est interposé au-
dessous de la couche d'alliage d'Al comme métal formant barrière. Ainsi, pour l'électrode de câblage décrite dans le brevet JP- A-63-152147, la structure cristalline sous-jacente doit être surveillée avec soin pour améliorer l'orientation du câblage en Al-Si-Cu et à cause de cela, on ne peut espérer des améliorations de
la productivité.
La présente invention, qui a été réalisée en tenant compte du problème ci-dessus, a pour objet de fournir une structure d'électrode qui peut maîtriser les
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apparitions des vides dans Al à l'intérieur des couches d'alliage d'Al, quelle que soit l'orientation d'une couche d'alliage d'Al se trouvant sur une couche de
nitrure de titane.
Pour atteindre les objets ci-dessus, la demanderesse a fait des recherches, basées sur les conditions de fabrication, etc., sur des procédés qui peuvent maîtriser les apparitions des vides dans Al dans les couches d'alliage d'Al quelle que soit leur orientation. A partir de ces recherches, elle a constaté que les conditions de formation de la couche de nitrure de titane, qu'on suppose n'avoir aucune relation avec l'apparition des vides dans Al, peut énormément réduire
l'apparition des vides dans Al.
La présente invention est basée sur les informations recueillies par la demanderesse à la suite de ces études, et une structure d'électrode selon la présente invention présente les caractéristiques
suivantes: elle est construite sur un substrat de semi-
conducteur, avec un film isolant inter-couches qui a une ouverture correspondant à une zone de contact du substrat; une couche barrière, dont la composition comprend du nitrure de titane, est en contact avec le substrat du semi-conducteur via l'ouverture du film isolant inter-couches; une couche de câblage en alliage d'aluminium est formée sur la couche barrière; et entre la couche barrière et la couche de câblage en alliage d'aluminium, se trouve une couche de relaxation des distorsions avec un film qui a une épaisseur supérieure à 10 nm et est constituée d'un composé intermétallique, dont la composition comprend au moins de l'aluminium et
du titane.
En plaçant la couche de relaxation des distorsions avec un film épais (10 nm ou plus), la distorsion, agissant à l'intérieur de la couche de câblage en alliage d'aluminium, est soulagée et ainsi, quelle que soit l'orientation de la couche de câblage en alliage d'aluminium, les apparitions des vides à
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l'intérieur de la couche de câblage en alliage d'Al
peuvent être supprimées.
Ou bien, la présente invention a les caractéristiques suivantes: contre la largeur des lignes de la couche de câblage en alliage d'aluminium de 1 tm, l'épaisseur de la couche de relaxation des distorsions, qui est un composé intermétallique comprenant de l'aluminium et du titane et qui doit être placée entre la couche barrière et la couche de câblage en alliage d'aluminium, est établie de façon que les vides dans Al, dont la largeur est supérieure à 0,3 IIm, puissent être effectivement annulée. En d'autres termes, la couche de relaxation des distorsions a de préférence une épaisseur qui peut supprimer les apparitions des vides dans Al dont la largeur est approximativement un tiers ou plus de la largeur de ligne de la couche de câblage en aluminium. Une telle épaisseur du film selon la présente invention, qui n'a pu être obtenue dans la couche du réactif formée par la réaction des couches de nitrure de titane et de câblage en alliage d'aluminium lors de l'exécution du procédé classique, rend possible
une réduction importante des vides dans Al.
De plus, il est souhaitable que la couche de relaxation des distorsions soit formée de manière à recouvrir au moins 40 % de l'interface entre la couche
barrière et la couche d'alliage d'aluminium.
En outre, la couche de relaxation des distorsions peut être soit une couche d'A13Ti soit un composé intermétallique qui contient A13Ti. Le Ti contenu dans la couche de nitrure de titane peut entrer entre les réseaux d'aluminium et constituer la couche de relaxation des distorsions en Al3Ti ou en composé intermétallique contenant Al3Ti, la distorsion due à la contrainte de traction qui se produit à l'intérieur de la couche de câblage en alliage d'aluminium est soulagée. En conséquence, quelle que soit l'orientation de la couche de câblage en alliage d'aluminium, les
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apparitions de vides dans la couche d'alliage d'Al
peuvent être supprimées.
En outre, il est souhaitable que les niveaux de l'oxygène à l'intérieur des couches barrières et à l'interface de la couche barrière et de la couche de relaxation des distorsions soient inférieurs à 1 bar. A cause de cela, il sera plus facile pour l'aluminium (A1)
et le titane (Ti) de réagir l'un avec l'autre.
En outre, en fournissant une couche évitant les pointes d'alliage entre la couche barrière et le substrat du semi-conducteur, les apparitions des vides dans Al peuvent être maîtrisées tout en supprimant l'apparition des pointes d'alliage. Dans ce cas, la première couche de nitrure de titane est placée comme couche barrière et une seconde couche de nitrure de titane ayant des propriétés de la matière différentes de la première, est placée comme couche évitant les pointes d'alliage. Avec cette sorte de structure, des couches de nitrure de titane constituées du même matériau peuvent être employées pour supprimer en même temps les apparitions tant des vides dans Al que les pointes d'alliage. Ensuite, un procédé de fabrication, basé sur la présente invention, pour une électrode de câblage a fondamentalement les étapes suivantes: une étape pour former un film isolant inter-couches sur un substrat de semi-conducteur; une étape de formation d'une ouverture sur le film isolant inter-couches qui met à nu la surface du substrat; une étape consistant à former une première couche de nitrure de titane sur le film isolant inter-couches dans un état tel que la première couche de nitrure de titane est en contact avec la surface du substrat via l'ouverture; une étape consistant à former une couche de câblage d'alliage d'aluminium sur la première couche de nitrure de titane; et une étape consistant à exécuter un traitement thermique après la formation de la couche de câblage en alliage d'aluminium. Dans cet agencement, le procédé de
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fabrication de la présente invention est en outre caractérisé en ce que: l'étape consistant à former la première couche de nitrure de titane est exécutée par pulvérisation réactive, dans laquelle le titane sert de cible à l'intérieur du dispositif de pulvérisation alimenté avec de l'azote gazeux et avec une densité de l'énergie à courant continu de 5,5 W/cm2 ou moins, et en outre, les étapes consistant à former la première couche de nitrure de titane et la couche de câblage en alliage d'aluminium sont exécutées en continu tout en maintenant
l'atmosphère de formation à l'état de vide.
En formant la première couche de nitrure de titane avec une densité de l'énergie à courant continu inférieure à 5,5 W/cm2 et en exécutant simultanément sous vide la formation des films de la première couche de nitrure de titane et d'alliage d'aluminium en continu, la réaction entre la première couche de nitrure de titane et d'alliage d'aluminium sera facilitée et par conséquent, on peut réaliser la couche de relaxation des
distorsions avec un film épais.
De plus, pour le premier film de nitrure de titane obtenu immédiatement après la formation du film, il est souhaitable qu'il ait une résistivité de gf-cm et 1 000 gú-cm et d'avoir une contrainte de
compression comprise entre O et 90 MPa.
En outre, en ajoutant seulement une étape consistant à former une seconde couche de nitrure de titane, qui empêche les pointes d'alliage, sur la surface mise à nu dans l'ouverture du film isolant inter- couches avant la formation de la première couche de nitrure de titane, les apparitions des vides dans Al et des pointes d'alliage peuvent être supprimées simultanément comme on l'a expliqué ci-dessus. Dans ce cas, étant donné que les première et seconde couches sont constituées du même matériau en nitrure de titane,
les étapes de la fabrication peuvent être simplifiées.
En outre, il est souhaitable que l'étape consistant à former la seconde couche de nitrure de
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titane soit exécutée par le procédé de pulvérisation réactive effectuée avec une densité de l'énergie à courant continu, à l'intérieur du dispositif de pulvérisation, réglée à une valeur supérieure à 6,96 W/cm2. En formant la seconde couche de nitrure de titane dans ces conditions, elle pourrait être amenée à fonctionner comme couche évitant les pointes d'alliage
qui réduit encore les apparitions des pointes d'alliage.
La présente invention sera bien comprise
lors de la description suivante faite en liaison avec
les dessins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'une structure d'électrode pour câblage selon un premier mode de réalisation de la présente invention; Les figures 2A à 2E sont des vues en coupe représentant, respectivement, la structure d'électrode aux différentes étapes principales de la fabrication; La figure 3 est une courbe de la relation entre les conditions de la formation en film de la couche de nitrure de titane et l'apparition des vides dans Al; La figure 4 est une vue de l'électrode avec un vide dans Al, en même temps que l'indication de la largeur L du vide; La figure 5 est un graphique de l'analyse de la distribution composite, obtenue avec un dispositif spectroscopique électronique Auger, d'une électrode de câblage avec des vides dans Al; La figure 6 est un graphique représentant une analyse de la distribution composite, obtenue avec un dispositif spectroscopique électronique Auger, de l'électrode de câblage de la figure 1; La figure 7 est un graphique représentant les résultats d'une diffractométrie des rayons X des électrodes de câblage; La figure 8 est un diagramme représentant l'électrode de câblage avec des vides dans Al tels
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qu'ils sont observés par microscopie électronique à transmission; La figure 9 est un diagramme pour représenter l'électrode de câblage de la figure 1 telle qu'elle est observée par microscopie électronique à transmission; La figure 10 est un graphique représentant la relation de l'apparition et de la non-apparition des vides dans A1 avec le rapport d'occupation de la couche intermédiaire qui agit comme couche de relaxation des distorsions; La figure 11 est une vue pour représenter la définition du rapport d'occupation de la figure 10; La figure 12 est un graphique représentant les résultats d'analyse des couches de nitrure de titane obtenues par spectroscopie à émission de rayons X, qui représente le décalage chimique représentant l'état de la liaison Ti2P3/2; La figure 13 est un graphique représentant les intensités étudiées dans le plan(lll) d'Al des électrodes de câblage par diffractométrie des rayons X; La figure 14 est une courbe représentant la relation entre l'intensité de la diffraction des rayons X pour le plan(lll) d'Al de l'électrode de câblage et la température de recuit; La figure 15 est un graphique représentant la relation entre l'intensité de la diffraction des rayons X pour le plan(202) d'A13Ti à la température de recuit; La figure 16 est un schéma de la structure du dispositif de pulvérisation; La figure 17 est une vue schématique en coupe de l'apparition d'une pointe d'alliage; La figure 18 est une vue en coupe d'une électrode de câblage selon un second mode de réalisation de la présente invention; Les figures 19A à 19C sont des vues en coupe de l'électrode de câblage de la figure 18, représentant
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chacune une vue lors d'une étape de fabrication principale; La figure 20 est un schéma représentant la comparaison entre le second mode de réalisation et les exemples 1 - 3 évalués sur la densité des vides dans A1 et le courant de fuite; La figure 21 est une vue schématique représentant la structure pour la mesure du courant de fuite; La figure 22 est un diagramme de la diffraction des rayons X pour les couches de nitrure de titane lorsqu'on fait varier la densité de l'énergie pendant leur formation; La figure 23 est un diagramme caractéristique de la relation de la densité de l'énergie en fonction du courant de fuite; Les figures 24A et 24B sont des graphiques représentant chacun une analyse de la distribution composite, obtenue avec un dispositif spectroscopique électronique Auger, d'une électrode de câblage, dans lesquelles la figure 24A représente le cas o une couche de nitrure de titane empêchant les pointes d'alliage est formée comme couche barrière et la figure 24B le cas o une couche de nitrure de titane empêchant les vides dans Al est formée comme couche barrière; La figure 25 est un graphique représentant l'apparition des courants de fuite lorsque l'épaisseur du film des première et seconde couches de nitrure de titane varie; et La figure 26 est une courbe représentant l'apparition des vides dans Al lorsque l'épaisseur des première et seconde couches de nitrure de titane est modifiée. On décrira maintenant le premier mode de
réalisation de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe du dispositif à semi-conducteur qui comporte la structure d'électrode selon le premier mode de réalisation et
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représente la zone environnante d'un trou de contact 17.
Sur le substrat 10 de silicium (semi-conducteur) sont formés un film isolant inter-couches 11, qui comporte des ouvertures comme le trou de contact 17, et une couche de titane 12. Une couche 16 de siliciure de titane est formée entre la couche de titane 12 et le substrat de silicium 10. De plus, sur le dessus de la couche de titane 12 et de siliciure de titane 16, une couche 13 de nitrure de titane est formée comme couche barrière et en outre, une couche 15 d'alliage d'Al constitué de Al-Si(l,O % en poids)-Cu(0,5 % en poids) et une couche de protection 18 en film isolant sont formées
sur le dessus.
Pour réaliser ce type d'électrode de câblage, après la formation de la couche de titane 12, de la couche de nitrure de titane 13 et de la couche 15 d'alliage d'Al sur le dessus du substrat de silicium 10, un processus de recuit est exécuté afin de réduire la résistance de la surface de contact du substrat avec le système d'électrode, après quoi, le film de protection 18 est formé. Ici, le dispositif de pulvérisation par magnétron à courant continu, représenté en figure 16, est utilisé pour la formation de la couche de titane 12 et de la couche 13 de nitrure de titane. Plus précisément, de l'argon gazeux (Ar) est fourni à l'intérieur de la chambre du dispositif de pulvérisation, et une tension est appliquée entre la cible en Ti et l'élément chauffant. Grâce à cela, les cibles en Ti sont pulvérisées par les ions Ar et le film en Ti est déposé sur la tranche (substrat). Pendant la déposition de Ti, si un réactif gazeux, N2, est étalé, l'azote de N2 réagit avec Ti pour former du TiN sur le
dessus du substrat.
Ici, la demanderesse a fait varier les conditions, à savoir la densité de l'alimentation à courant continu (obtenue en divisant la puissance électrique appliquée entre la cible en Ti et l'élément chauffant par l'aire de la cible en Ti) et la
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température de l'élément chauffant pendant la formation du film de TiN (désignée par température du substrat), pour la formation du film de TiN afin d'observer et d'examiner l'apparition des vides dans A1. Les résultats de cette étude sont indiqués en figure 3. En figure 3, le symbole 0 concerne un échantillon avec une largeur de 1 gm pour le câblage d'aluminium, dans lequel on n'a découvert aucun vide dans Al d'une largeur supérieure à 0,3 gm. D'autre part, le symbole X concerne l'échantillon avec une largeur de 1 gm pour le câblage d'aluminium, o l'on a découvert des vides dans Ai ayant des largeurs supérieures à 0,3 gm. Ici, la largeur des vides dans Ai est définie en figure 4. Selon la relation représentée en figure 3, les apparitions des vides dans Ai ont chuté de manière remarquable en ce qui concerne la zone se trouvant au-dessous du trait plein indiquant la limite dans le graphique. Plus particulièrement, on remarquera que dans le cas o la densité de l'alimentation à courant continu est 5,5 W/cm2 ou moins, les apparitions des vides dans Ai peuvent être freinées quelle que soit la température du substrat pendant la
formation du film de TiN.
Dans l'examen de ce qui précède, s'agissant du cas de la formation d'une électrode de câblage, le titane diffuse pour passer de la couche de nitrure de titane à la couche d'alliage d'Al pendant le processus de recuit (400 C - 480 C), qui est exécuté pour réduire la résistance de la connexion électrique après la formation de la couche d'alliage de Ai, ou le traitement thermique (300 C - 480 C) qui est exécuté pendant et après la formation du film de protection, et par conséquent, la réaction suivante et une couche
intermédiaire ont lieu.
Al + TiN - AlN + Ti...... (1) Ti + xAl - TiAlx....... (2)
(Ici, x est un nombre arbitraire).
A cause des réactions représentées dans les équations (1) et (2), une couche de diffusion de Ti
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(désignée par couche de relaxation des distorsions (ou des contraintes) est formée à l'intérieur de l'alliage d'Al, et avec celle-ci, on peut penser que la distorsion à l'intérieur de l'alliage d'Al est relaxée et que la formation des vides dans Al est supprimée. En d'autres termes, en figure 1, le recuit de la couche de nitrure de titane 13 et de la couche 15 de l'alliage d'Al se traduit par la réduction de TiN par Al et la production de Ti. Ce Ti diffuse à l'intérieur de la couche 15 d'alliage d'Al d'une manière telle que la distorsion à l'intérieur de la couche d'alliage d'Al est diffusée et ainsi à partir de cela, on peut penser qu'il y a formation de la couche 14 de relaxation de la distorsion. Plus précisément, s'il y a une distorsion à l'intérieur de la couche d'alliage d'Al due à une contrainte de traction, le Ti diffusé entre dans les espaces séparant les réseaux d'Al et élargit ces espaces pour relaxer la distorsion et donc former la couche 14 de relaxation de la distorsion. A cause de cette couche de relation des distorsions, la distorsion est relâchée et l'apparition de vides dans la couche 15 d'alliage d'Al est supprimée, quelle que soit l'orientation de
cette couche 15.
Alors qu'on sait que les vides dans A1 sont le résultat d'une migration induite par les contraintes se produisant lorsque la contrainte de traction, pendant le processus de chauffage, est appliquée à la partie
intérieure de la couche d'Al, le mécanisme décrit ci-
dessus pour supprimer les apparitions des vides d'Al fonctionne lorsque Ti se diffuse entre la couche 13 de nitrure de titane et la couche 15 d'alliage d'Al et forme une couche 14 de relaxation des distorsions, laquelle relaxe la distorsion par traction à l'intérieur de la couche de l'alliage d'Al et supprime donc les
apparitions des vides dans Al.
La couche 14 de relaxation des distorsions doit avoir une épaisseur suffisante pour supprimer les apparitions des vides dans Al. Si l'électrode a une
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structure TiN/Al, la réaction décrite ci-dessus est amenée à se produire à cause du processus de recuit après la déposition d'Al. Alors que cela est le cas, il peut impliquer le fait que la couche du film, produite par la réaction, ne peut bien fonctionner comme couche de relaxation des distorsions dans le cas o il s'agit d'une couche fine. En bref, même si la diffusion de Ti vers la partie intérieure de la couche d'alliage d'Al se produit, dans le cas o la couche produite par la réaction est très fine, cette couche n'est pas alors telle qu'elle puisse supprimer les apparitions des vides dans Ai. On peut s'en assurer par l'analogie des résultats de la figure 3. Comme représenté en figure 3, même pour la même structure de la formation du film, il y a des différences dans les apparitions des vides dans Al. On peut penser que cela n'est rien d'autre que le fait que l'épaisseur de la couche de diffusion, provoquée lorsqu'il y a diffusion du Ti dans l'intérieur de la couche d'alliage d'Al, est différente des
conditions variables de la formation du film de TiN.
La demanderesse, en utilisant le dispositif spectroscopique électronique Auger, a analysé les compositions respectives des échantillons dans lesquels des vides se sont produits dans Al et o les vides dans Al ont été supprimés. Les figures 5 et 6 représentent les résultats de l'analyse, indiquant aussi la profondeur de la partie o le film isolant inter-couches est formé. Les profils des figures 5 et 6 indiquent la composition suivant les différentes épaisseurs ainsi que la distribution des éléments constitutifs après le recuit exécuté après la formation du film de l'alliage d'Al. La figure 5 indique les résultats de l'examen pour les échantillons marqués d'un X en figure 3, alors que la figure 6 donne les résultats pour les échantillons marqués par O en figure 3. Si l'on compare les échantillons représentés en figure 5 qui comportent des vides dans Al, les échantillons indiqués en figure 6, qui ont supprimé les apparitions des vides dans Al, la
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couche de diffusion de Ti agissant en couche de relaxation des distorsions à l'intérieur de l'alliage de Al, on confirme que les couches de diffusion de Ti
produites ont une épaisseur considérable.
Ainsi, si la couche de diffusion formée lorsque Ti diffuse vers la partie intérieure de la couche d'alliage Al est très fine, alors comme dans les échantillons marqués X en figure 3, des vides se produiront dans Ai. D'après ce résultats, la couche 14 de relaxation des distorsions, s'agissant d'une largeur de câblage de 1 gm, doit avoir une épaisseur qui réduit à une valeur pratiquement nulle les largeurs des vides dans Al supérieures à 0,3.m. En d'autres termes, la couche 14 de relaxation des distorsions doit avoir une épaisseur qui réduit les vides dans Ai, dont la largeur est supérieure au tiers des largeurs de câblage, à
pratiquement zéro.
De plus, comme dans le passé, pour éviter que les éléments de l'alliage d'Al (Ai, Si, etc) ne traversent le métal barrière (désigné par pointe d'alliage), le film de TiN est exposé à l'atmosphère après formation et chauffé et traité de façon que l'oxygène soit contenu dans les limites des grains des cristaux. La demanderesse a également confirmé les nombreuses apparitions des vides dans Ai, dans le cas o une couche d'alliage d'Al est formée après exposition à
l'atmosphère de la couche formée de nitrure de titane.
Cela est probablement dû au fait que l'oxydation de la surface de la couche de nitrure de titane a rendu difficile la réaction indiquée ci-dessus, et par conséquent, Ti n'est pas apte à diffuser à l'intérieur de la couche d'Al. Par conséquent, comme la demanderesse l'a détecté, il est important de ne pas incorporer de l'oxygène pendant la formation de la couche de nitrure de titane et de ne pas l'exposer à l'atmosphère après la formation de TiN mais au contraire, le processus de formation du film doit être effectué en continu à
l'intérieur d'un vide.
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Comme représenté en figures 5 et 6, il n'y a pas détection d'oxygène à l'intérieur de l'alliage d'Al et des couches de nitrure de titane, ainsi que dans l'interface les séparant. Cela constitue la différence avec les procédés de fabrication usuels et est dû au fait que la couche de nitrure de titane n'est pas exposée à l'atmosphère après la formation du film. De plus, l'oxygène détecté, à l'intérieur du film isolant inter- couches, de la couche de titane, ainsi que dans l'interface entre la couche de nitrure de titane et la couche de titane, est dû à la présence de SiO2 à
l'intérieur du film isolant inter-couches.
De plus, on a exécuté une diffractométrie des rayons X sur ces échantillons, et comme représenté en figure 7, un large pic, qui indique le composé TiAlx dont le constituant principal est TiA13, a été détecté aux environs de la zone dans laquelle l'angle 20 détecté est 39, 3 . En outre, on a constaté qu'un tel pic apparaît plus notablement dans leséchantillons dont les vides étaient supprimés dans Al que pour les
échantillons dans lesquels des vides se sont produits.
Par conséquent, d'après les résultats des figures 3, et - 7, il est clair que la couche du composé intermétallique entre les métaux aluminium et titane, formée par la diffusion du titane vers la partie intérieure de l'alliage d'Al à partir de la couche de nitrure d'aluminium, supprime les apparitions des vides
dans Ai.
Les figures 8 et 9 représentent des tracés des images des vues en coupe du film des matériaux dans lesquels les vides se sont produits dans Al (échantillons marqués par X dans la figure 3) et o les apparitions de ces vides ont été supprimées (échantillons marqués O en figure 3), respectivement, par observation avec un microscope électronique à transmission. Dans le matériau dans lequel des vides se sont produits dans Al, on peut confirmer d'après la figure 8 qu'une couche (désignée couche de réaction pour
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la distinguer de la couche de relaxation des distorsions indiquée cidessus) ayant une épaisseur d'environ 7 nm s'est formée entre la couche d'alliage de A1 et la couche de nitrure de titane. D'autre part, comme représenté en figure 9, pour le matériau dans lequel l'apparition des vides d'Al a été supprimée, une couche de relaxation des distorsions, qui est nettement plus épaisse que celle de la figure 8, avec une épaisseur de nm, s'est formée entre la couche d'alliage de A1 et la couche de nitrure de titane. Par conséquent, si la couche 14 de relaxation des distorsions a une épaisseur de 10 nm ou plus, il s'en suit que la distorsion provoquée par la contrainte de traction à l'intérieur de l'alliage d'Al peut être relâchée suffisamment pour que l'apparition des vides dans Al soit suffisamment supprimée. En outre, la demanderesse a utilisé un microscope électronique à transmission pour déterminer le taux d'occupation approprié de la couche de relaxation des distorsions, qui doit être formée, à l'interface de la couche d'alliage d'Al et la couche de nitrure de titane. La figure 10 représente la relation du taux d'occupation à l'interface des couches d'alliage d'Al et de nitrure de titane de la couche de relaxation des distorsions avec la présence/absence des vides dans A1. Le taux d'occupation de la couche de relaxation de distorsions, R, est défini comme suit: R = 1li / L = (11 + 12) / L x 100 (%)...... (3) équations dans lesquelles li (tel que 11, 12 en figure 11) représente la longueur de chaque couche de relaxation des distorsions et L la longueur totale de l'interface entre les couches d'alliage d'Al et de nitrure de titane comme représenté en figure 11. On doit noter ici que 11 et 12 représentent les longueurs de chacune des îles de la couche de relaxation des distorsions, si elle est dispersée à l'interface entre
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les couches d'alliage d'Al et de nitrure de titane (se
reporter à la figure 11).
D'après la figure 10, si la couche de relaxation des distorsions couvre plus de 40 % de l'interface, on peut trouver qu'elle peut supprimer les
apparitions des vides dans Al.
Pour rendre plus claires les différences entre les conditions provoquant l'apparition des vides dans Ai et les conditions qui suppriment l'apparition des vides dans Ai, comme représenté en figure 12, l'échantillon qui n'a formé que le film de nitrure de titane a fait l'objet d'une mesure par spectroscopie photo-électronique des rayons X (SPX) avec la quantité du décalage (décalage chimique) dans l'énergie de liaison pour électrons dans le niveau Ti2p3/2 de l'atome dans le Ti, qui est dans le nitrure de titane (formé par la liaison chimique de Ti avec l'azote), et fait également l'objet d'une investigation. Dans le cas o des vides se sont produits dans Ai, le décalage chimique du Ti2p3/2 dans la couche du nitrure de titane était 1,51 eV, alors que le décalage chimique dans la couche de nitrure de titane dans le cas o il y avait suppression des vides dans Ai était plus petit à 1,32 eV. Ce second cas implique que l'état de la liaison de l'azote et du titane était faible et donc il était plus facile pour le titane du nitrure de titane de
diffuser dans la couche d'alliage d'Al.
En outre, il y a une autre façon pour évaluer l'état de la couche de nitrure de titane. Par exemple, dans la formation du nitrure de titane dans les mêmes conditions que pour les échantillons marqués X en figure 3 dans lesquels des vides se sont produits dans Ai, la résistivité après la formation du film est d'environ 80.n-cm - 170 gQ-cm. D'autre part, la résistivité pour le nitrure de titane, mesurée après sa formation dans les mêmes conditions que pour les
échantillons marqués 0 en figure 3, était 180 LQ-cm -
1000 gQ-cm. De plus, si l'on mesure la contrainte du
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film en nitrure de titane immédiatement après la formation du film, la contrainte de compression de l'échantillon, formé dans les conditions qui ont provoqué l'apparition de vides dans Al, avait une valeur élevée, supérieure à 100 MPa, alors que la contrainte de compression pour l'échantillon formé dans les conditions provoquant la suppression de l'apparition des vides dans Al, était relativement plus basse à O MPa. D'après cela, on peut conclure que le nitrure de titane obtenu dans les conditions situées au-dessous de la ligne limite de la figure 3 a un film relativement grossier avec un faible état de la liaison pour l'azote et le titane, et que le titane dans le nitrure de titane diffuse plus facilement jusque dans la partie intérieure
de la couche d'alliage d'Al.
Dans le passé, d'une manière générale, on a
pensé supprimer les vides dans Al de la façon suivante.
En d'autres termes, par exemple, comme représenté dans la structure de câblage métallique décrite dans le brevet JP-A-63-152147, on a pensé qu'il était nécessaire que la face des cristaux du câblage en Al- Si-Cu soit orientée dans le plan(lll) Al. Ce procédé avait pour objet de réduire le nombre des défauts et des distorsions à l'intérieur du câblage en Al-Si-Cu et en opérant ainsi, supprimer les apparitions des vides dans Al. Cependant, la demanderesse a étudié les échantillons indiqués en figure 3 et exécuté une diffractométrie des rayons X de l'alliage d'Al et constaté que les échantillons supprimant les vides dans Al et ceux dans lesquels il s'est produit des vides dans Al sont tous deux orientés dans le plan(lll) Al et en outre, comme représenté en figure 13, par contraste avec les propositions antérieures, l'intensité de la diffraction est plus petite pour l'échantillon ayant supprimé l'apparition des vides dans Al. Par conséquent, après examen, la demanderesse a trouvé, comme personne ne l'a fait auparavant, que l'orientation(lll) Al ne
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constituait pas la condition principale pour supprimer
les apparitions des vides dans Al.
Les intensités de diffraction pour le plan(lll) Al et le plan(202) A13Ti pour les températures différentes de recuit sont indiquées en figures 14 et , respectivement. Avec l'augmentation de la température de recuit, l'intensité de diffraction pour le plan(202) A13Ti, formé lorsque le Ti de la couche de nitrure de titane diffuse dans la couche d'alliage d'Al, augmente, alors que l'intensité de diffraction pour le plan(lll) Al décroît. D'après cela, pour l'échantillon qui comporte la couche contenant Ti qui est diffusé entre la couche de nitrure de titane et la couche d'alliage d'Al, c'est-à-dire pour l'échantillon dont les vides sont supprimés dans Al, il est clair que l'orientation du plan(lll) d'Al est plus petite et que l'amélioration de l'orientation du plan(lll) Al ne
supprimera pas l'apparition des vides dans A1.
De plus, comme indiqué en figure 15, pour encourager la production de A13Ti, qui devient la couche 14 de relaxation des distorsions, la température de recuit appliquée à la couche 15 d'alliage d'Al après la formation du film doit être supérieure à 350 C, et mieux encore si elle est établie à une valeur supérieure à 420 C. Cela est dû au fait qu'en-dessous de 350 C, l'intensité de la diffraction des rayons X pour le composé intermétallique de Al et TiN n'a pas été détectée et que l'intensité de la diffraction de ceux-ci a augmenté rapidement si la température de recuit était
supérieure à 420 C.
On explique maintenant ci-dessous un exemple
concret de ce mode de réalisation.
En figure 1, le film isolant inter-couches 11 et la couche de titane 12 sont formés sur le dessus du substrat de silicium 10, avec la couche 16 de siliciure de titane formée entre la couche de titane 12 et le substrat de silicium 10. En outre, la couche de nitrure de titane (couche barrière) 13, la couche 15
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d'alliage d'Al constituée de Al-Si(l % en poids)-
Cu(O,5 % en poids), et le film de protection 18 comportant un film isolant, sont formés sur le dessus de la couche de titane 12. De plus, la couche de relaxation des distorsions 14, qui est une couche d'alliage d'Al contenant le Ti diffusé, est formée à l'interface de la couche de nitrure de titane 13 et de la couche 15
d'alliage d'Al.
On utilisera les figures 2A à 2E pour expliquer le procédé de fabrication du dispositif à semi-conducteur de la figure 1. Tout d'abord, comme représenté en figure 2A, le film isolant inter-couches 11, tel que du PSG (verre au silicate phosphorique) formé par déposition en phase vapeur par procédé chimique ou un procédé de pulvérisation, et, comme représenté en figure 2B, le trou de contact 17 sont formés par photolithographie pour mettre à nu la zone
superficielle de contact du substrat de silicium 10.
Pour le procédé représenté en figure 2C, avec utilisation du dispositif de pulvérisation représenté en figure 16, une couche 12 d'une épaisseur de 20 nm obtenue par pulvérisation, une couche 13 de nitrure de titane d'une épaisseur de 80 nm obtenue par la pulvérisation réactive de Ti dans l'atmosphère d'un mélange d'argon et d'azote, et une couche 15 d'alliage d'Al d'une épaisseur de 450 nm constituée d'Al-Si(l % en poids)-Cu(0,5 % en poids) obtenue par pulvérisation, sont formées en continu et des parties d'entre elles sont connectées électriquement à la zone superficielle de contact du substrat de silicium 10. Alors qu'on exécute les procédés de pulvérisation ci-dessus, la couche de titane 12, la couche 13 de nitrure de titane, et la couche 15 d'alliage d'Al ne sont pas exposées à l'air et sont formées en continu sous vide. Par conséquent, les parties intérieures de ces couches et leurs interfaces ne contiennent virtuellement aucun
oxygène, au-dessous de 1 bar %.
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La température effective du substrat est établie à une certaine valeur pendant la formation de la couche de titane 12, de la couche 13 de nitrure de titane et de la couche 15 d'alliage d'Al. Comme la couche 13 de nitrure de titane est formée en faisant
réagir du titane dans un plasma avec une atmosphère N2-
Ar, les conditions pour la formation du film, par exemple la température effective du substrat, la pression de formation du film, le rapport des débits des gaz N2-Ar, la densité d'alimentation à courant continu, etc., seront légèrement affectées par le rapport de la composition chimique, la structure des cristaux et le degré de la diffusion du titane entre la couche 13 de nitrure de titane et la couche 15 de l'alliage d'Al. A cause de cela, la température du substrat, la pression de formation des films, le rapport des débits des gaz N2-Ar et la densité de l'énergie à courant continu ont été réglés à 300 C, 720 MPa, 1:1 et 4,4 W/cm2,
respectivement dans ce mode de réalisation.
Après la formation du film de la couche 15 d'alliage d'A1, la couche de titane 12, la couche 13 de nitrure de titane et la couche 15 d'alliage d'Al sont mises en motif et traitées pour être identiques à la
structure de câblage d'Al représentée en figure 2D.
Alors, le substrat de silicium 10, la couche de titane 12, la couche de nitrure de titane 13 et la couche d'alliage d'Al 15 sont recuites à une température de 4000 C - 480 C pour réduire la résistance de contact
entre le substrat 10 et la structure de câblage d'Al.
En outre, le film isolant, qui sert de film de protection 18, est formé par déposition en phase vapeur par procédé chimique ou un procédé de pulvérisation à une température de 3000 C - 480 C et en faisant cela, on obtient une structure identique à celle
qui est représentée en figure 2E.
Pendant le recuit ci-dessus à 400-480 C, ayant pour objet de réduire la résistance de la connexion électrique et pendant le traitement de recuit
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à 300 - 480 C appliqué pendant la formation du film de protection 18, le titane diffuse entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche d'alliage d'Al 15 et les réactions indiquées dans les équations (1) et (2) se produisent pour former la couche de relaxation des dis- torsions 14. Dans ce cas, la couche de relaxation des distorsions 14, conformément à la relation représentée en figure 3, devient une couche qui réduit effectivement
à 0 le nombre des vides dans Al avec des largeurs supé-
rieures à 0,3 gm pour une largeur du câblage de 1 lm; c'est-à-dire que la couche 14 de relaxation des distorsions devient une couche qui peut supprimer les apparitions des vides dans Al dont la largeur est supérieure approximativement au tiers de la largeur du
câblage.
Comme décrit ci-dessus, selon le présent mode de réalisation, en formant la couche 14 de relaxation des distorsions, qui est une couche d'un composé intermétallique exprimée sous la forme de TiAlx comprenant principalement TiA13, entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche 15 d'alliage d'Al, les
apparitions des vides dans Al peuvent être supprimées.
Comme la diffusion du titane entre la couche 13 de nitrure de titane et la couche 15 d'alliage d'Al pour la formation de la couche 14 de relaxation des distorsions dépend fortement de la qualité du film en nitrure de titane, il y a certaines restrictions dans les conditions de formation du film. La densité de
l'énergie à courant continu, qui, comme indiqué ci-
dessus, a un grand effet sur la qualité du film, doit être réglée à 5,5 W/cm2 ou moins. Pendant la formation du film de la couche de nitrure de titane 13, il est souhaitable que la température effective du substrat soit réglée à 200-350 C. D'autre part, on doit remarquer que la mauvaise mouillabilité du nitrure de titane contre Al et l'élévation de la température du substrat pendant la formation du film de Ai à une valeur supérieure à 200 C provoquent l'adhérence d'Al sur
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l'intérieur du trou de contact 17. Ainsi, la couverture d'A1 pourrait se détériorer et compte-tenu du fait que l'apparition des vides dans Al peut être liée à cette mauvaise mouillabilité, il est souhaitable que la température du substrat pendant la formation du film de Al soit réglée à une valeur inférieure à 200 C par exemple 100-150 C. De plus, étant donné que la pression de N2-Ar gazeux pour la formation d'un film est liée étroitement à la réactivité de la pulvérisation réactive tout en affectant également la durée de vie d'une pompe
d'échappement, elle doit être réglée à 260-920 MPa.
Comme le rapport du mélange de N2 avec Ar a un effet tant sur la réactivité de la pulvérisation réactive que sur la vitesse de déposition, la pression partielle
de N2 gazeux doit être réglée à 33-75 %.
En outre, dans le présent mode de réalisation, la concentration de l'oxygène à l'intérieur de la couche de nitrure de titane 13, qui sert de couche barrière est réglée à une valeur approximativement inférieure à 1 bar %, alors que la concentration de l'oxygène à l'interface de la couche de nitrure de titane 13 et de la couche 14 de relaxation des distorsions est réglée à une valeur approximativement inférieure à 1 bar %. A cause de ce qui précède, il est plus facile de faire réagir ensemble Al et le nitrure de titane et donc, il sera plus facile de former la couche 14 de relaxation des distorsions avec l'épaisseur désignée. Dans ce mode de réalisation, la couche de nitrure de titane 13, qui est utilisée dans la formation de la couche 14 de relaxation des distorsions, agit en couche barrières de la diffusion pour éviter que Al ne diffuse jusque dans le substrat 10 de Si et aussi pour éviter que Si (à partir du substrat 10 de Si) et Ti (à partir de la couche de titane 12) ne diffusent jusque dans la couche d'alliage 15 d'A1. Contrairement à ce qui précède, la structure suivante peut être également utilisée: des métaux avec des points de fusion élevés,
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des composés de nitrure de métaux aux points de fusion élevés, des composés de siliciure de métaux aux points de fusion élevés, etc., qui tous agissent comme couches barrières contre la diffusion, étant insérés entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche de titane 12 et/ou entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche de siliciure de titane. De plus, à la place de la couche de siliciure de titane 16 et de la couche de titane 12, on peut aussi utiliser des métaux ayant des points de fusion élevés, des composés de siliciure ayant
des points de fusion élevés, etc..
De plus, l'alliage d'Al de la couche 15 d'alliage d'Al n'est pas limitée seulement à Al-Si-Cu, mais d'autres alliages, c'est-à-dire Al pur, Al-TiSi, Al-Cu, Al-Si, Al-Ti, Al-Cu-Ti, etc peuvent être
également employés.
De plus, la barrière, les couches de siliciure de titane et de titane peuvent être ou non des couches multiples. Le seul point déterminant, pour la suppression des vides dans Al, est que la couche 15 d'alliage d'Al et la couche de nitrure de titane 13, qui jouent un rôle important dans la formation de la couche de relaxation des distorsions soient toutes deux directement en contact l'une avec l'autre. En dehors de cela, il n'y a aucune autre limitation qui soit imposée
à la structure, à l'orientation, etc. des couches.
On décrira maintenant un second mode de
réalisation de l'invention.
Dans le premier mode de réalisation qu'on explique ci-dessus, l'apparition des vides dans A1 a été supprimée en changeant les conditions traditionnelles de formation du film 13 de la couche de nitrure de titane et par la formation de la couche 14 de relaxation de distorsions. Alors que cette structure a rendu certaine une suppression suffisante de l'apparition des vides dans Al, il y a le problème que les pointes d'alliage, telles que la pointe d'Al, se produiront vraisemblablement.
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La pointe d'alliage est, comme représenté en figure 17, un phénomène dans lequel les matériaux de câblage Al, Ti et Si réagissent pour former un composé qui a un effet néfaste sur les caractéristiques des dispositifs (caractéristiques Tr). En réfléchissant sur ce point, pour le procédé classique de la formation de la couche de nitrure de titane, la densité énergétique pendant la formation de la couche de nitrure de titane est relativement élevée et après la formation de la
couche de nitrure de titane, le film est exposé à l'air.
Alors que, pour ce cas, l'apparition d'une pointe d'alliage est empêchée par la dureté relative du film de TiN, si la densité énergétique est abaissée, comme dans ce qui précède, à une valeur inférieure à 5,5 W/cm2 pour supprimer l'apparition des vides dans Al, on peut supposer que la réaction parmi les métaux et le substrat de silicium est rendue plus contribuante et cela se traduit par l'apparition de la pointe de l'alliage. Par conséquent, un conflit se produit dans le réglage de la densité énergétique car la suppression des vides dans A1 et la suppression de la pointe d'alliage sont dans une
relation contradictoire l'une vis-à-vis de l'autre.
L'épaississement du film de la couche de nitrure de titane peut être une façon de supprimer l'apparition de la pointe d'alliage. En d'autres termes, en épaississant le film, la formation du composé de Al, Ti et Si, qui se traduit par la pointe d'alliage, est supprimée. Cependant, le simple épaississement de la couche de nitrure de titane se traduit par des défauts
dans le câblage d'Al comme des ruptures.
Par conséquent, la demanderesse propose de former une couche empêchant les pointes d'alliage, se distinguant de la formation de la couche de nitrure de titane empêchant les vides dans Al, entre la couche de nitrure de titane (couche de relaxation des distorsions) et le substrat de silicium. Pour parler concrètement, dans cette structure, une couche de nitrure de titane , ayant une caractéristique différente de celle de la
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couche de nitrure de titane 13 est placée au-dessous de la couche de nitrure de titane 13, qui supprime les apparitions des vides dans Al et qui est en contact avec la couche d'alliage d'Al. Ainsi, on forme une structure métallique barrière à deux couches. On explique ci-
dessous les détails du second mode de réalisation.
La figure 18 est une vue en coupe de l'électrode de câblage du second mode de réalisation. La structure représentée en figure 18 est différente de celle de la figure 1 en ce sens que la structure barrière du premier mode est une structure à deux couches qui est constituée d'une couche de nitrure de titane 13 pour former une couche de relaxation des distorsions, et d'une autre couche de nitrure de titane 20 pour éviter les pics d'alliage. Mais en dehors de cette différence, les structures sont identiques. On remarquera ici que les couches réactionnelles de la couche 14 de relaxation des distorsions, la couche de siliciure de titane 16 et le film de protection 18 de la
figure 1 ont été omis en figure 18.
On explique ci-après le procédé de fabrication de cette structure. Comme représenté en figure 2B, après la formation du trou de contact 17 sur le film isolant inter-couches 11, la couche de titane 12 et la couche 20 empêchant les pointes d'alliage sont formées, comme représenté en figure 19A, en suivant le même procédé de pulvérisation que dans le premier mode de réalisation. Alors, comme représenté en figure 19B, la couche de nitrure de titane 13 évitant les vides dans Ai est formée et ensuite, comme représenté en figure
19C, une couche 15 d'alliage d'Al, constituée de Al-Si-
Cu, est formée. On remarquera ici que les mêmes dispositifs de pulvérisation, employés dans le premier mode de réalisation, sont utilisés ici, et que les films
sont formés en continu sous vide.
Alors, comme représenté en figures 2D et 2E, la mise en motif est exécutée sur ces couches et après recuit (à une température de 350-480 C, de préférence de
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420 C ou plus, le film de protection 18 d'un film d'isolation est formé sur leur dessus. A cause de ce processus de recuit, de la même façon que dans le premier mode de réalisation, la réaction de la couche de nitrure de titane 13 et de la couche 15 d'alliage d'Al se traduit par la diffusion de titane entre la couche de nitrure de titane 13 et la couche 15 d'alliage d'Al, d'o la formation d'une couche de relaxation des distorsions (non représentée en figure 18) à l'interface
les séparant.
Ici, les conditions pour la formation en film de la première couche 20 de nitrure de titane (sous-jacente) et de la seconde couche 13 de nitrure de
titane (sur-jacent) sont indiquées dans le tableau 1.
Pour que leurs caractéristiques soient différentes, une première couche 20 de nitrure de titane est formée à une densité énergétique à courant continu de 8,7 W/cm2 alors que pour la seconde couche 13 de nitrure de titane, la densité est réglée à 4,4 W/cm2. De plus, sur l'épaisseur de leurs films, pour la première couche 20 de nitrure de titane, elle est de 70 nm alors que pour la seconde couche 13 de nitrure de titane, elle est de 30 nm,
l'épaisseur totale étant réglée à 100 nm.
On décrit ici le second mode de réalisation en le comparant aux exemples de comparaison 1-3. Ces exemples de comparaison ne comportent qu'une couche de nitrure de titane et comme indiqué dans le tableau 1, elles ont été formées dans des densités énergétiques différentes pour les rendre uniques l'une par rapport à l'autre. De plus, l'épaisseur de leurs couches de nitrure de titane est réglée à 100 nm pour être égale à l'épaisseur totale de la structure ci-dessus qui comporte deux couches de nitrure de titane. D'autre part, l'épaisseur des couches de titane et d'alliage d'Al sont réglées uniformément à 20 nm et 450 nmn, respectivement, pour ce mode de réalisation et pour les
exemples de comparaison.
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Tableau 1
Densité Débit Débit Pression Tempé-
énergé- de Ar de N2 (10-3 x rature tique (m3/s (m3/s 130 Pa) du
(W/cm2) dans dans subs-
les les trat condi- condi- (OC) tions tions
norma- norma-
les) les) Second ler TiN 8,7 90 90 5,5 270 mode de réalisa- 2eme TiN 4,4 90 90 5,5 270 tion _
Exemple de compa-
raison 1 4,4 90 90 5,5 270
Exemple de compa-
raison 2 5,2 90 90 5,5 270
Exemple de compa-
raison 3 8,7 90 90 5,5 270 Une étude a porté sur la densité des vides dans Al et le courant de fuite de ce mode de réalisation et des exemples de comparaison 1-3, dont le résultat est indiqué en figure 20. En outre, pour les pointes d'alliage, une étude a été faite en examinant les valeurs du courant de fuite des contacts (le nombre des contacts s'élevait à 1350) en utilisant la structure de câblage de la figure 21. De plus, pour les vides dans Al, on a évalué le nombre des vides pour chaque câblage
d'une largeur de 1 pm et d'une longueur de 1 mm, c'est-
à-dire la densité des vides dans Al.
D'après la figure 20, on peut voir que, alors que les exemples de comparaison 1 et 2, avec des densités énergétiques de 4,4 W/cm2 et de 5, 2 W/cm2, respectivement, ont supprimé l'apparition des vides dans Al, on peut conclure que les pointes d'alliage se sont produites dans ceux-ci à cause de leurs courants de fuite élevés. D'autre part, pour l'exemple de comparaison 3 qui a une densité énergétique de
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8,7 W/cm2, alors que le courant de fuite est faible avec l'apparition de la pointe d'alliage supprimée, des vides se sont produits dans Al. De cette façon, la suppression des vides dans Al et la suppression de la pointe d'alliage se produisent en sens contraire en ce qui concerne le réglage de la valeur de la densité énergétique, et les conditions détaillées de la fabrication ont été optimisées pour satisfaire les deux
en utilisant seulement une couche de nitrure de titane.
Par contraste avec ce qui précède, pour le second mode de réalisation qui comporte deux couches de nitrure de titane, l'apparition des vides dans Al est supprimée par la couche supérieure de nitrure de titane et par le fait que le courant de fuite est faible, l'apparition de la pointe d'alliage est également supprimée facilement par
la couche inférieure de nitrure de titane.
La figure 22 représente les résultats de l'analyse DRX (diffractométrie des rayons X) lorsque la densité énergétique à courant continu de la mono-couche de nitrure de titane est changée. D'après cette figure, on peut voir qu'avec l'augmentation de la densité énergétique à courant continu, l'orientation du plan(200) TiN change. Ainsi, on peut considérer que cette différence dans la caractéristique physique provoquée par le changement de l'orientation contribue grandement aux apparitions des vides dans Al et des
*pointes d'alliage.
La figure 23 représente la relation de la densité énergétique à courcontinu de la mono-couche de nitrure de titane avec le courant de fuite. D'après cette figure, on peut voir qu'il y a un point de déplacement lorsque la densité énergétique est égale à 6,96 W/cm2 de sorte que, si la densité énergétique est supérieure à cette valeur, le courant de fuite devient alors plus faible. Par conséquent, la couche de nitrure de titane 20 qui empêche les pointes d'alliage doit être formée avec une densité énergétique à courant continu de
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6,96 W/cm2 ou plus pour supprimer suffisamment
l'apparition de la pointe d'alliage.
De plus, après la formation du film, la première couche 20 de TiN peut être formée comme ayant, par exemple, une résistivité inférieure à 200 IQ-cm et une contrainte de compression relativement élevée, supérieure à 100 MPa. Par ailleurs, comme on l'a expliqué dans le premier mode de réalisation, aussitôt après la formation du film, il est souhaitable que la seconde couche 13 de TiN, qui contribue à la formation de la couche de relaxation des distorsions supprimant l'apparition des vides dans Al, ait une résistivité de
-1000 p5Q-cm et une contrainte du film de 0-90 MPa.
On expliquera maintenant comment les différentes conditions de la formation du film, comme indiqué dans le tableau 1, provoquent des caractéristiques différentes pour la même couche de nitrure de titane. Les figures 24A et 24B indiquent les résultats de l'analyse de la composition, effectuée à des profondeurs différentes (ainsi qu'aux profondeurs des parties o le film isolant inter-couches n'a pas été formé) avec un dispositif spectroscopique électronique Auger. La figure 24A indique la composition lorsqu'une couche de titane 12, une couche de nitrure de titane 20 pour empêcher les pointes d'alliage et une couche d'Al sont formées sur le dessus du substrat de silicium 10. D'autre part, la figure 24B indique la composition lorsqu'une couche de titane 12, une couche de nitrure de titane 13 pour éviter les vides dans A1 et une couche d'Al 15 sont formées sur le dessus du substrat de silicium 10. D'après ces figures, on peut voir que les deux compositions ont des caractéristiques physiques différentes. Par ailleurs, lorsqu'une couche d'Al 15 est formée sur le dessus d'une couche de nitrure de titane 20, qui évite les pointes d'alliage, une fine couche réactionnelle est formée par suite de la réaction des deux couches. Cependant, cette couche réactionnelle, comme indiqué dans ce qui précède, est très fine et
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ainsi ne contribue pas à la suppression des vides
dans Ai.
On expliquera maintenant les effets des épaisseurs des films de la première couche de nitrure de titane 20 et de la seconde couche de titane 13 sur le courant de fuite et l'apparition des vides dans A1. Les
résultats sont indiqués dans les figures 25 et 26.
D'après ces figures, on peut voir qu'on obtient de bons résultats avec un courant de fuite et les vides dans A1 même lorsque le rapport des épaisseurs de ces deux couches est modifié. Ainsi, pour les deux couches de nitrure de titane, même si l'une des couches est formée finement, les deux couches fonctionneront encore de
façon efficace.
Alors que le même matériau employé dans la formation de la couche de nitrure de titane 13, qui évite les vides dans Al, a été utilisé dans la formation de la couche de nitrure de titane 20, le tungstène de titane (TiW), le siliciure de tungstène (WSix), le siliciure de molybdène (MoSix) peuvent aussi être employés pour former la couche permettant d'éviter la pointe d'alliage. Cependant, comme dans le second mode de réalisation ci-dessus, si la couche de nitrure de titane 13 du même matériau que la couche de nitrure de titane 20 est faite, toutes deux peuvent être obtenues dans un procédé en continu et comme leurs procédés de gravure peuvent être effectués avec la même méthode, on a alors l'avantage de pouvoir simplifier le procédé de fabrication. En outre, alors que les première et seconde couches de nitrure de titane 20 et 13 sont formées tout en changeant la densité énergétique à courant continu pendant la formation des films de nitrure de titane, la densité énergétique peut être également réduite progressivement avec la progression de la formation du film de nitrure de titane. Dans ce cas, les conditions de pulvérisation doivent être maîtrisées de façon que la densité énergétique au commencement du processus de
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formation du film soit supérieure à 6,96 W/cm2 et que la densité énergétique à la fin du processus de formation
du film soit inférieure à 5,5 W/cm2.
De plus, il n'est pas nécessaire de former en continu la couche 20 empêchant la pointe d'alliage avec la couche de nitrure de titane 13 qui empêche les vides dans Al. Une telle couche empêchant les pointes d'alliage peut être formée à un certain endroit entre la couche de nitrure de titane 13 et le substrat de silicium 10. Par exemple, la couche de titane, la couche de nitrure de titane 20 (qui empêche les pointes d'alliage) et la couche de titane, c'est-à-dire ces trois couches, peuvent être placées entre le substrat de
silicium 10 et la couche de nitrure de titane 13.
La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de
variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art.
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Claims (14)
1 - Electrode pour dispositif à semi-
conducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un substrat (10) de semi-conducteur; - un film isolant inter-couches (11), ayant un trou de contact (17) ménagé sur ledit substrat de semi- conducteur; - une couche barrière (13) qui comporte du nitrure de titane dans sa composition, formée sur ledit film isolant inter-couches de manière à être en contact avec le substrat de semi-conducteur via le trou de contact; - une couche de câblage en aluminium (15) formée sur la couche barrière; et - une couche de relaxation de distorsions (14), qui a une épaisseur de film d'au moins environ 10 nm, en composé intermétallique qui comprend de l'aluminium et du titane dans sa composition, cette couche de relaxation des distorsions étant située à l'interface entre la couche barrière et la couche de
câblage en aluminium.
2 - Electrode pour dispositif à semi-
conducteur, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un substrat (10) de semi-conducteur; - un film isolant inter-couches (11), ayant un trou de contact (17) ménagé sur ledit substrat de semi- conducteur; - une couche barrière (13) qui comporte du nitrure de titane dans sa composition, formée sur le film isolant inter-couches de manière à être en contact avec le substrat de semi-conducteur via le trou de contact; - une couche de câblage en aluminium (15) formée sur la couche barrière; et - une couche de relaxation des distorsions (14) d'un composé intermétallique qui comporte de l'aluminium et du titane dans sa composition, disposée à
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l'interface entre la couche barrière et la couche de câblage en aluminium, et ayant une épaisseur du film qui réduit sensiblement à O le nombre des vides dans A1 qui ont des largeurs supérieures à environ un tiers de la largeur du câblage. 3 - Electrode selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche de relaxation des distorsions (14) occupe au moins 40 % de ladite interface entre la couche de câblage en aluminium et la
couche barrière.
4 - Electrode selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la couche de relaxation des distorsions (14) est soit une couche d'A13Ti soit une
couche d'un composé intermétallique contenant A13Ti.
5 - Electrode selon l'une quelconque des
revendications précédentes, dans laquelle la
concentration d'oxygène à l'intérieur de la couche barrière (13) est approximativement inférieure à 1 bar % et la concentration d'oxygène à l'interface de la couche barrière (13) et de la couche de relaxation des distorsions (14) est approximativement inférieure à
1 bar %.
6 - Electrode selon l'une quelconque des
revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle
comprend en outre une couche empêchant les pointes d'alliage, située entre la couche barrière (13) et le
substrat (10) à semi-conducteur.
7 - Electrode selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche barrière et la couche empêchant les pointes d'alliage sont des couches en nitrure de titane mais ont des caractéristiques
différentes du film.
8 - Procédé pour fabriquer une électrode comprenant les étapes consistant à: - former un film isolant inter-couches (11) sur le dessus d'un substrat (10) à semi-conducteur; - former un trou de contact (17) sur ledit film isolant inter-couches;
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- former une première couche de nitrure de titane sur le film isolant inter-couches, en utilisant un dispositif de pulvérisation qui est alimenté avec de l'azote gazeux et comporte une cible de titane, au moyen d'une pulvérisation réactive dans les conditions d'une densité énergétique à courant continu de 5,5 W/cm2 ou moins, d'o il résulte que ladite couche de nitrure de titane est déposée sur le film isolant inter-couches et vient en contact avec le substrat de semi- conducteur via le trou de contact; - former une couche de câblage en alliage d'aluminium (15) sur le dessus de la première couche de nitrure de titane; et - recuire le substrat sur lequel la première couche de nitrure de titane et la couche de câblage en alliage d'aluminium sont formées, o les étapes de formation de la première couche de nitrure de titane et de la couche de câblage en alliage d'aluminium sont exécutées en continu sous
vide.
9 - Procédé pour la fabrication d'une électrode selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à former une seconde couche de nitrure de titane pour éviter les
pointes d'alliage sur le dessus du film isolant inter-
couches qui comporte le trou de contact, une étape consistant à former la seconde couche de nitrure de titane avant la formation de la première couche de
nitrure de titane.
10 - Procédé de fabrication d'une électrode selon la revendication 9, dans lequel l'étape consistant à former la seconde couche de nitrure de titane comporte une étape consistant à exécuter une pulvérisation réactive à l'intérieur du dispositif de pulvérisation dans les conditions d'une densité énergétique à courant
continu est 6,96 W/cm2 ou plus.
11 - Procédé pour fabriquer une électrode selon la revendication 9 ou 10, dans lequel la
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résistivité et la contrainte du film, immédiatement après sa formation, de la seconde couche de nitrure de titane sont 200 gú2-cm ou moins et 100 MPa ou plus, respectivement. 12 - Procédé pour fabriquer une électrode
selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, dans
lequel la résistivité, immédiatement après la formation du film de la première couche de nitrure de titane est
-1000 p -cm.
13 - Procédé pour la fabrication d'une
électrode selon l'une quelconque des revendications 8 à
12, dans lequel une contrainte de compression, aussitôt après la formation du film de la première couche de
nitrure de titane est, au plus, de 90 MPa.
14 - Procédé pour fabriquer une électrode
selon l'une quelconque des revendications 8 à 13,
caractérisé en ce que l'étape consistant à former la première couche de nitrure de titane comporte une étape pour la formation de la première couche de nitrure de
titane à une température du substrat de 200-350 C.
- Procédé pour la fabrication d'une
électrode selon l'une quelconque de revendications 8 à
14, caractérisé en ce que l'étape consistant à former une couche de câblage en alliage d'aluminium comprend l'étape consistant à former la couche de câblage en alliage d'aluminium à une température du substrat de
C ou moins.
16 - Procédé pour fabriquer une électrode
selon l'une quelconque des revendications 8 à 15,
caractérisé en ce que la température de recuit pendant
l'étape de recuit est 350-480 C.
17 - Procédé pour la fabrication d'une électrode selon la revendication 16, caractérisé en ce
que la température du recuit est supérieure à 420 C.
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