FR2750249A1 - Procede de fabrication d'un bouchon en aluminium par depot chimique en phase vapeur selectif - Google Patents

Abstract

On forme initialement un composant à semi-conducteurs dans un substrat (20) ayant une couche isolante (24) formée sur sa surface. Une ouverture de prise de contact (26) formée dans la couche isolante met à nu une région conductrice (22) du composant. On applique ensuite au substrat un traitement de recuit thermique rapide. On utilise du diméthyléthylaminealane (DMEAA) à titre de précurseur pour déposer ensuite sélectivement un bouchon d'aluminium (28) dans l'ouverture de prise de contact, en utilisant une procédure de dépôt chimique en phase vapeur à une température de substrat ne dépassant pas 250 deg.C.

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN BOUCHON EN ALUMINIUM

PAR DEPOT CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR SELECTIF

L'invention concerne de façon générale un traitement de métal-

lisation pour la fabrication de circuits intégrés à semiconducteurs (ou CI).

L'invention concerne en particulier un procédé de fabrication d'un bouchon en aluminium pour des CI en effectuant un traitement de recuit thermique sous vide avant une procédure de dépôt chimique en phase

vapeur (ou CVD), conduisant à une meilleure sélectivité de dépôt.

La pulvérisation cathodique est une technique qui est largement utilisée dans la fabrication de dispositifs consistant en circuits intégrés à

semiconducteurs, pour déposer de l'aluminium de façon à former des in-

terconnexions dans les circuits de dispositifs. Du fait que la pulvérisation cathodique est une procédure de dépôt physique en phase vapeur (ou PVD), conduisant en général à une mauvaise couverture de marche en

comparaison avec celle que procure une procédure de CVD, elle ne con-

vient pas pour la fabrication de CI au niveau inférieur au micromètre. Si

on utilisait la pulvérisation cathodique dans des procédures de fabrica-

tion de dispositifs au niveau inférieur au micromètre, il apparaîtrait des résultats indésirables tels qu'une mauvaise uniformité d'épaisseur et des vides dans la couche d'aluminium déposée. En particulier, lorsque des cavités, telles que des trous, dans le substrat de dispositif ont une faible section transversale et une profondeur importante, la métallisation peut ne pas être réalisée effectivement jusqu'au fond de la partie formant une cavité. Dans une telle situation, une connexion électrique avec la région

conductrice sous-jacente serait incomplète ou absente.

A titre de contexte pour la description de l'invention, on exami-

nera brièvement, en se référant à la figure 1 des dessins annexés, une couche de dépôt d'aluminium qui est formée en utilisant une procédure de pulvérisation cathodique classique. On utilise fondamentalement un

substrat 10 à titre de base pour la fabrication de composants à semicon-

ducteurs pour un dispositif à CI. Pour la clarté, le dispositif à CI entier

n'est pas représenté. A la place, seule une partie de la région conduc-

trice 12, telle qu'une couche de métal ou de siliciure de métal dans le

composant à semiconducteurs envisagé à titre d'exemple, est représen-

tée schématiquement sur le dessin. Une couche isolante 14, telle qu'une

couche de dioxyde de silicium thermique, une couche de verre borophos-

phosilicaté (ou BPSG), ou une couche de tétraéthoxysilane (TEOS) est formée sur la surface du substrat 10. On utilise ensuite des procédures de photolithographie et d'attaque pour former une ouverture de prise de contact 16 dans la couche isolante 14, de façon à mettre à nu la région

conductrice 12 du composant à semiconducteurs qui est fabriqué. On ac-

complit ensuite une procédure de pulvérisation cathodique pour déposer

une couche d'aluminium 18 sur la couche isolante 14, remplissant l'es-

pace à l'intérieur de l'ouverture de prise de contact 16 et établissant un contact avec la région conductrice 12, pour former ainsi l'interconnexion

pour le composant à semiconducteurs qui est fabriqué.

Cependant, lorsqu'on réduit la taille des éléments de dispositifs à semiconducteurs, cette procédure de pulvérisation cathodique de métal

classique pour former la métallisation d'interconnexion devient inévita-

blement moins efficace. Lorsque les dimensions de l'ouverture de prise de contact 16 sont réduites du fait de la miniaturisation du dispositif, la couche d'aluminium 18 qui est déposée est affectée par une dégradation

des conditions de couverture de marche, ainsi que par un défaut d'uni-

formité d'épaisseur de la couche. Des vides 15 peuvent même apparaître dans l'ouverture 16. Tous ces facteurs font que l'on peut moins maîtriser

les caractéristiques de performances du dispositif ainsi fabriqué, et ren-

dent souvent ces caractéristiques inacceptables. Lorsque l'espace dans l'ouverture de prise de contact 16 est réduit à un certain niveau, il arrive même que le métal déposé par pulvérisation cathodique n'atteigne pas du

tout le fond du trou ou de l'ouverture.

Pour résoudre le problème, comme représenté sur la figure 2, au lieu de déposer directement la couche d'aluminium sur la surface de la

couche isolante 14 et dans l'ouverture de prise de contact 16 qui est for-

mee dans celle-ci, on forme fréquemment initialement un bouchon de tungstène 17 à l'intérieur de la région de prise de contact 16 par une procédure de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sélectif, suivie par le dépôt d'une couche d'aluminium sur la surface de la couche isolante 14, en utilisant une procédure de pulvérisation cathodique classique.

Cependant, la fabrication de bouchons de tungstène supplé-

mentaires dans des ouvertures de contact pour des composants à semi-

conducteurs représente une augmentation du coût de fabrication global.

En outre, I'utilisation d'un bouchon de tungstène est désavantageuse, du

fait que ce matériau a une conductivité électrique qui est seulement ap-

proximativement égale au tiers de celle de l'aluminium. Des efforts ont

donc été consacrés au développement de techniques de traitement utili-

sant des procédures de CVD pour déposer de l'aluminium, qui convien-

nent pour des dispositifs à semiconducteurs présentant une résolution de

fabrication au niveau de 0,25 jlm et moins.

Lorsqu'on utilise une procédure de CVD pour déposer des cou-

ches d'aluminium, on utilise de façon caractéristique pour le précurseur du

triisobutylaluminium (TIBA) ou de l'hydrure de diméthylaluminium (DMAH).

Le TIBA est difficile à utiliser, du fait que son évaporation exige une tem-

pérature relativement élevée (environ 160 à 170 C), à cause de sa pres-

sion d'évaporation inférieure. Au contraire, le DMAH peut être évaporé plus aisément du fait de sa pression d'évaporation plus élevée, de façon

inhérente, mais il introduit également dans la couche d'aluminium dépo-

sée des impuretés contenant du carbone, qui réduisent la conductivité électrique de la couche d'aluminium déposée. Ceci vient du fait que le DMAH comporte dans sa structure moléculaire une forte liaison covalente carbone-aluminium. Gladfelter et M.G. Simmonds de l'Université du Minnesota ont

proposé un procédé pour déposer de l'aluminium en utilisant une procé-

dure de CVD, par l'utilisation d'un composé de diméthyléthylaminealane (DMEAA), à titre de précurseur. Comme représenté sur la figure 3, du fait que le DMEAA a une liaison covalente de coordination entre les atomes

d'azote et d'aluminium, présentant une bande interdite d'énergie de liai-

son qui est inférieure à celle des liaisons covalentes classiques, sa tem-

pérature d'évaporation est relativement inférieure, c'est-à-dire d'environ

C. La couche d'aluminium déposée résultante aurait donc une beau-

coup plus faible concentration en impuretés. Sur la base de ces résultats remarquables, le présent inventeur a proposé un processus de fabrication de dispositif à semiconducteurs faisant appel au DMEAA, dans le docu- ment SSDM, page 634, 1994, ainsi que dans le document VMIC, page 362, 1994. Cependant, les caractéristiques de sélectivité vis-à- vis de

différents matériaux de substrat n'ont pas été étudiées dans ces publica-

tions.

Un but de l'invention est donc de procurer un procédé pour fa-

briquer une interconnexion dans un dispositif à circuit intégré à semicon-

ducteurs, qui donne une connexion électrique continue et fiable.

L'invention procure un procédé perfectionné pour la fabrication d'un bouchon d'aluminium dans une procédure de CVD sélective qui comprend les étapes suivantes. Premièrement, on forme un composant à semiconducteurs dans un substrat ayant une couche isolante formée sur

sa surface. La couche isolante présente une ouverture de prise de con-

tact qui met à nu une région conductrice du composant semiconducteur.

On applique ensuite au substrat de dispositif un traitement de recuit thermique sous vide. On utilise du diméthyléthylaminealane à titre de

précurseur pour déposer une couche d'aluminium sur la surface du subs-

trat, dans une procédure de CVD qui est accomplie à une température de substrat ne dépassant pas 250 C, pour la fabrication d'un bouchon

d'aluminium dans l'ouverture de prise de contact. Le bouchon d'alumi-

nium est déposé sélectivement sur la surface de la région conductrice à nu dans l'ouverture de prise de contact, tandis qu'il n'est relativement

pas déposé sur la surface de la couche isolante.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront

mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de

réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la

description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels:

La figure 1 montre schématiquement une coupe d'une métalli-

sation d'interconnexion qui est fabriquée en utilisant un processus de dépôt d'aluminium par pulvérisation cathodique classique;

La figure 2 montre schématiquement une couche d'une métalli-

sation d'interconnexion qui est fabriquée en utilisant un processus de CVD sélectif classique pour déposer un bouchon de tungstène;

La figure 3 montre la structure moléculaire du précurseur con-

sistant en DMEAA, qui est utilisé dans un processus de fabrication con-

forme à un mode de réalisation préféré de l'invention;

La figure 4 montre la vitesse de croissance de la couche d'alu-

minium, représentée en fonction de la température du substrat pendant le processus de dépôt; La figure 5 montre la pureté de la couche d'aluminium qui est formée en utilisant une procédure de CVD, telle qu'elle est déterminée par une technique de spectroscopie électronique Auger;

La figure 6 montre des représentations graphiques de la sélec-

tivité de dépôt pour de l'aluminium déposé sur différents matériaux à différentes températures, en utilisant une procédure de CVD; La figure 7 montre une comparaison de la sélectivité de dépôt,

avant et après un traitement de recuit thermique, pour de l'aluminium dé-

posé sur différents matériaux à différentes températures, en utilisant une procédure de CVD; et La figure 8 montre schématiquement une couche d'un bouchon d'aluminium fabriqué conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention. On décrira en se référant à la figure 8 des dessins un procédé préféré pour fabriquer des bouchons d'aluminium pour la métallisation de

dispositifs à semiconducteurs, en employant des procédures de CVD sé-

lectif.

Premièrement, on fournit un substrat 2 à titre de base pour la

fabrication de composants à semiconducteurs pour un dispositif à CI.

Dans un but de clarté, seule une partie de la région conductrice 22, telle qu'une couche de métal ou de siliciure du composant à semiconducteurs envisagé à titre d'exemple, est représentée schématiquement. On forme sur la surface du substrat 20 une couche isolante 24 telle qu'une couche d'oxyde thermique ou une couche de verre borophosphosilicaté (ou

BPSG). On utilise ensuite des procédures de photolithographie et d'atta-

que pour former une ouverture de prise de contact 26 dans la couche

isolante 24, mettant à nu la région conductrice 22 du composant à semi-

conducteurs qui est fabriqué.

Ensuite, à ce stade, on applique à la tranche du dispositif un traitement de recuit thermique sous vide, en chauffant la tranche à une

température d'environ 450 C pendant environ 30 minutes. On utilise en-

suite le DMEAA à titre de précurseur pour accomplir une procédure de CVD de façon à déposer une couche d'aluminium 28. On commande la température du substrat de façon qu'elle ne soit pas supérieure à 250 C, pour obtenir une excellente sélectivité de dépôt. En d'autres termes, dans les conditions décrites ci-dessus, on peut déposer de l'aluminium avec une sélectivité élevée, seulement sur la région conductrice 22 à l'intérieur de l'ouverture de prise de contact 26, et non sur la surface de la couche isolante 24. On forme ainsi un bouchon d'aluminium 28 ayant

une configuration de structure telle que celle qui est représentée sché-

matiquement sur la figure 8. On peut ensuite suivre une procédure de

pulvérisation cathodique classique pour former les interconnexions au-

dessus de la couche isolante 24. Du fait que l'invention ne porte pas sur

cette phase de fabrication, on n'envisagera pas ici des étapes suivantes.

Ainsi, du fait que le procédé de l'invention pour fabriquer des bouchons d'aluminium dans une procédure de dépôt chimique en phase vapeur sélectif utilise le DMEAA à titre de précurseur, on dispose de conditions de fabrication pouvant être maîtrisées plus aisément, pour former le dépôt d'aluminium. Comme mentionné ci-dessus, ceci vient du

fait que le DMEAA a une liaison covalente de coordination entre les ato-

mes d'azote et d'aluminium, présentant une bande interdite d'énergie de liaison qui est inférieure à celle de liaisons covalentes classiques. Cette plus petite bande interdite d'énergie de liaison conduit à une pression d'évaporation plus élevée, ce qui fait que sa température d'évaporation

est relativement basse, soit environ 90 C. Les bouchons d'aluminium ré-

sultants ont un faible niveau d'impuretés et ils présentent des caractéris-

tiques de résistance électrique comparables à celles de dépôts d'alumi-

nium formés par des procédures de pulvérisation cathodique classiques.

Le traitement de recuit thermique sous vide qui est effectué

avant la mise en oeuvre de la procédure de CVD pour déposer l'alumi-

nium a pour fonction d'améliorer fortement la sélectivité de dépôt entre la couche isolante et la couche conductrice sur la surface du substrat. Du fait de cette sélectivité remarquable, le procédé de l'invention convient

pour fabriquer des bouchons de contact, tels que des bouchons d'alumi-

nium, et en particulier pour des procédures de fabrication de dispositifs à circuits intégrés qui exigent un niveau d'intégration élevé. Pour montrer la supériorité du procédé de l'invention, on a effectué plusieurs tests et

des analyses correspondantes, avec les résultats suivants.

Dans le premier test, on a accompli une procédure de CVD pour déposer de l'aluminium, en utilisant du DMEAA à titre de précurseur. La

figure 4 montre la vitesse de croissance de la couche d'aluminium, repré-

sentée en fonction de la température du substrat pendant le processus

de dépôt. On a déposé l'aluminium en deux procédures de CVD, en utili-

sant du DMEAA à titre de précurseur, à des pressions ambiantes de trai-

tement respectives de 13 et 26 Pa. Les données collectées et présentées sur la figure 4 montrent que les relations entre la vitesse de croissance et la température du substrat aux deux pressions sélectionnées étaient fondamentalement les mêmes, la vitesse de croissance augmentant de

façon générale lorsque la température du substrat augmente. Des résul-

tats de calculs montrent que l'énergie d'activation de réaction de surface

est d'environ 0,75 eV, ce qui est comparable à l'énergie de liaison d'ato-

mes d'aluminium-azote dans la molécule. Ceci indique que la rupture de

la liaison aluminium-azote est l'étape clé pour le dépôt sélectif d'alumi-

nium par l'utilisation de la procédure de CVD avec le DMEAA pour pré-

curseur. Le DMEAA convient mieux que des précurseurs classiques pour ce dépôt sélectif d'aluminium, du fait qu'il a une plus faible énergie de

liaison covalente.

Dans un autre test, on a étudié par spectroscopie électronique Auger une couche d'aluminium déposée en utilisant la procédure de CVD

mentionnée ci-dessus, et on a obtenu les données d'analyse correspon-

dantes qui sont représentées sur la figure 5. Fondamentalement, la figure

5 représente graphiquement des données montrant la pureté de la cou-

che d'aluminium qui est formée par les procédures de CVD de l'invention,

telles qu'elles sont obtenues par la spectroscopie électronique Auger.

Les données Auger montrent que l'aluminium déposé a un niveau de pu-

reté très élevé, avec de rares atomes d'impuretés de carbone ou d'oxy-

gène dans la couche déposée. L'analyse de l'échantillon montre que la couche a une résistance d'environ 3,0 i 2/cm, comparable à celle que

l'on trouve dans des couches formées en utilisant des procédures de dé-

pôt par pulvérisation cathodique classiques.

On a effectué un troisième test portant sur la sélectivité du dé-

pot d'aluminium pour le procédé de l'invention. Pour ce test, on a déposé

sur la surface d'une couche conductrice, ainsi que sur des couches iso-

lantes, une variété de matériaux différents, à des températures de pro-

cessus différentes. La figure 6 montre la sélectivité de dépôt d'aluminium que l'on a obtenue pour ce test. Comme représenté sur le dessin, on a mesuré la quantité de particules d'aluminium au fur et à mesure de leur

dépôt sur la surface de quatre couches isolantes constituées par diffé-

rents matériaux, comprenant de l'oxyde thermique (Th-OX), du tétraé-

thoxysilane (TEOS), du verre borophosphosilicaté (BPSG), et de l'oxyde

formé par une procédure de CVD renforcée par plasma (PEOX). Fonda-

mentalement, la sélectivité de dépôt s'est dégradée lorsque la tempéra-

ture de dépôt a augmenté. En d'autres termes, des particules d'aluminium se sont déposées aisément sur les surfaces des couches conductrices comme des couches isolantes à des températures de traitement élevées,

tandis que lorsque la température de traitement était maintenue à un ni-

veau inférieur, les mêmes couches isolantes ont collecté notablement

moins de particules d'aluminium que la couche conductrice.

On a effectué un quatrième test dans lequel on a accompli un traitement de recuit thermique sous vide supplémentaire; le reste du test

s'est déroulé conformément à la procédure du troisième test, décrite ci-

dessus. On a accompli la procédure de traitement de recuit thermique

sous vide à une température d'environ 450 C, et on l'a prolongée pen-

dant environ 30 minutes. Les résultats du test sont représentés sur la figure 7, qui montre l'amélioration de la sélectivité de dépôt d'aluminium,

avant et après le traitement de recuit thermique sous vide, lorsque l'alu-

minium est déposé sur différents matériaux en utilisant la procédure de

CVD. Comme la représentation graphique le montre clairement, la sélec-

tivité de dépôt de l'aluminium (dépôt sur la couche conductrice plutôt que

sur la couche isolante) s'est améliorée pour la procédure de CVD lors-

qu'un traitement de recuit thermique sous vide a été effectué initiale-

ment. En particulier, il est apparu que la sélectivité était la meilleure pour la couche isolante de Th-OX, suivie par la couche de BPSG, et ensuite par la couche de PEOX. Cet ordre de sélectivité pourrait être basé sur le fait que le PEOX est un matériau qui absorbe davantage de molécules d'eau que ne le fait le Th-OX. il y aurait donc moins de liaisons - OH dans le matériau Th-OX que dans le PEOX. Lorsque le traitement de re-

cuit thermique sous vide est accompli avant le dépôt, l'eau est éliminée.

Par conséquent, alors que des particules d'aluminium se déposent régu-

lièrement sur la surface des couches conductrices, il se dépose moins de particules d'aluminium sur la surface des couches isolantes en PEOX, et

encore moins sur les couches de Th-OX.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap-

portées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven-

tion.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'un bouchon d'aluminium utilisant une procédure de dépôt chimique en phase vapeur sélectif, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on forme un composant à semiconducteurs dans un substrat (20) ayant une couche isolante (24) formée sur sa surface, une ouverture de prise de contact (26) étant for-

mée dans la couche isolante (24) de façon à mettre à nu une région con-

ductrice (22) du composant à semiconducteurs; on applique au substrat

(20) un traitement de recuit thermique sous vide; et on dépose une cou-

che d'aluminium (28) sur la surface du substrat, par une procédure de dépôt chimique en phase vapeur, utilisant du diméthyléthylaminealane à

titre de précurseur, et accomplie à une température de substrat ne dé-

passant pas 250 C, pour fabriquer un bouchon d'aluminium (28) dans

l'ouverture de prise de contact (26), et en contact avec la région conduc-

trice (22), le bouchon d'aluminium étant déposé sélectivement sur la

surface de la région conductrice (22) à nu, sans être déposé sur la sur-

face de la couche isolante (24).

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de recuit thermique sous vide est accompli à une température

d'environ 450 C et est prolongé pendant environ 30 minutes.

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

couche isolante (24) est une couche d'oxyde thermique.

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

couche isolante (24) est une couche de verre borophosphosilicaté.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche isolante (24) est une couche d'oxyde déposée par dépôt chimique

en phase vapeur renforcé par plasma.

6. Procédé de fabrication d'un bouchon d'aluminium, caractéri-

sé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: on forme une ouverture de prise de contact (26) dans une couche isolante (24) sur un substrat (20), pour mettre à nu une région conductrice (22) dans le substrat (20); on applique au substrat (20) un traitement de recuit thermique sous vide; et on accomplit une procédure de dépôt chimique en phase vapeur à une température de substrat qui ne dépasse pas 250 C, en utilisant du diméthyléthylaminealane à titre de précurseur, pour déposer une couche d'aluminium (28) sur la région conductrice (22) à nu, dans l'ouverture de

contact (26).

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le traitement de recuit thermique sous vide est accompli à une température

d'environ 450 C et il est prolongé pendant environ 30 minutes.

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

couche isolante (24) est une couche d'oxyde thermique.

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

couche isolante (24) est une couche de verre borophosphosilicaté.

10. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche isolante (24) est une couche d'oxyde déposée par dépôt chimique

en phase vapeur renforcé par plasma.