FR2769923A1

FR2769923A1 - Procede ameliore de metallisation a chaud

Info

Publication number: FR2769923A1
Application number: FR9713047A
Authority: FR
Inventors: Sam G Geha
Original assignee: Cypress Semiconductor Corp
Current assignee: Cypress Semiconductor Corp
Priority date: 1997-10-17
Filing date: 1997-10-17
Publication date: 1999-04-23
Anticipated expiration: 2017-10-17
Also published as: FR2769923B1

Abstract

L'invention permet de former une couche de métal sur un substrat avec peu ou pas de vides formés dans la couche, avec un rendement accru et sans augmenter la température du substrat à un niveau qui puisse endommager le substrat. Une couche de métal peut être formée sur un substrat à l'aide d'une étape de dépôt à froid suivie d'une étape de dépôt à chaud. La durée de l'étape de dépôt à froid doit être juste suffisante pour déposer du métal sur la totalité de la surface sur laquelle la couche de métal doit être formée. Lors de l'étape de dépôt à chaud, un supplément de métal est déposé alors que le substrat est rapidement chauffé jusqu'à la température cible. Le chauffage rapide mobilise rapidement les atomes de métal déposé, rendant le métal déposé bien moins susceptible à la formation de rebords et d'évidements que ce qui était le cas avec les précédentes méthodes de dépôt d'une couche métallique sur un substrat faisant intervenir une étape de dépôt à froid suivie d'une étape de dépôt à chaud. En particulier, le chauffage rapide du substrat peut être accompli par exemple par la mise en circulation d'un gaz chauffé contre le substrat à un débit qui soit supérieur à ce qui était jusqu'à présent estimé réalisable.

Description

CONTEXTE DE L'INVENTION
1. Domaine de l'invention
La présente invention concerne les procédés de métallisation utilisés pour la fabrication de dispositifs tels que les dispositifs à semi-conducteurs, ainsi que les dispositifs formés à l'aide de ces procédés de métallisation.

2. illustration du domaine
La formation d'une couche métallique est une étape courante dans la fabrication de certains dispositifs tels que, par exemple, les dispositifs à semiconducteurs. En particulier, une couche métallique peut être formée de façon à remplir des rainures ou à recouvrir des échelons formés pendant la fabrication d'un dispositif à semi-conducteurs. La formation d'une couche métallique sur des rainures ayant un rapport hauteur/largeur élevé (c'est à dire rapport entre la profondeur de la rainure et son diamètre ou sa largeur) ou sur des échelons ayant une hauteur relativement importante a rencontré plusieurs problèmes tels que la formation de rebords ou d'évidements.

Dans une méthode antérieure de formation d'une couche métallique sur une tranche de matériau semi-conducteur, la couche métallique est formée selon un processus à deux étapes. Dans la première étape, une portion relativement épaisse de la couche métallique est déposée alors que la tranche de matériau semiconducteur est maintenue à une température relativement basse (c'est à dire de préférence inférieure ou égale à 200"C). L'épaisseur de cette portion doit être conforme aux paramètres du procédé en question (par exemple, la géométrie à métalliser et le métal utilisé) afin d'assurer qu'une quantité suffisante de métal est présente et d'éviter la formation d'évidements pendant la fusion du métal qui intervient lors de la seconde étape. Par exemple, si le métal est un alliage d'aluminium, cette portion épaisse a de préférence une épaisseur égale à 50 % à 70 % environ de l'épaisseur totale du métal à former. En Outre, cette portion est déposée de préférence à une vitesse supérieure à 150 À/seconde. Dans la seconde étape, le reste du métal est déposé pendant que la plaquette de matériau semiconducteur est maintenue à une température relativement élevée (par exemple, pour un alliage d'aluminium, d'environ 400"C à environ 500"C) qui permet au métal déposé de fusionner avec croissance du grain, recristallisation et diffusion volumique. La vitesse de dépôt de l'aluminium dans la seconde étape est de préférence plus lente que celle de la première étape, mais de préférence supérieure à environ 50 A seconde, et de préférence entre environ 100 A seconde et environ 200 À seconde. En outre, la vitesse de dépôt peut être augmentée pendant la seconde étape pour accroître la productivité du procédé. Toutefois, cette méthode ne minimise pas le nombre de défauts formés dans la couche métallique (tels que ceux qui résultent de la formation de rebord ou d'évidements, par exemple) autant qu'on pourrait le souhaiter. Dans une autre méthode antérieure de formation d'une couche métallique sur une tranche de matériau semi-conducteur, la couche métallique est également formée à l'aide d'un procédé à deux étapes incluant une première étape de dépôt à froid suivie d'une seconde étape de dépôt à chaud. Cependant, dans cette méthode, une portion relativement fine de la couche de métal (par exemple 25 % de l'épaisseur totale) est déposée pendant que la tranche de matériau semi-conducteur est maintenue à température basse, alors qu'une partie relativement élevée de la couche métallique (par exemple 75 % de l'épaisseur totale) est déposée pendant que la tranche de matériau semi-conducteur est maintenue à température élevée. Quand le métal est un alliage d'aluminium, la tranche peut être maintenue à une température d'environ 200"C pendant une durée d'environ 10 secondes lors de l'étape de dépôt à froid. Pendant l'étape de dépôt à chaud, un gaz chauffé (en général ]'argon) est mis en circulation contre le dos de la plaquette afin de chauffer la tranche et le métal déposé. La tranche peut être chauffée à une température d'environ 375"C à environ 500"C. Pour les températures indicatives données, la tranche est en général maintenue à cette température pendant environ 3 à 5 minutes.

Cependant, le débit de gaz chauffé est maintenu relativement bas (par exemple moins de 15 cm3/minute standard et typiquement entre 10 cm3/minute standard et 15 cm3/minute standard) de manière à ce que la pression dans la chambre de procédé puisse rester faible (c'est à dire inférieure à 2 mtorr). Dans la mesure où le débit de gaz chaud reste relativement faible, la tranche n'est pas chauffée aussi rapidement qu'il serait souhaitable pour minimiser le nombre de défauts formés (par exemple par formation de rebords ou d'évidements) dans la couche métallique.

L'augmentation de la température du gaz chauffé a été essayée comme moyen de perfectionnement de cette méthode; mais cette augmentation de la température du gaz provoque l'augmentation de la température stabilisée de la plaquette pendant l'étape de dépôt, augmentant ainsi la probabilité d'endommagement de la plaquette (en particulier de la métallisation qui s'est précédemment formée sur la plaquette). La technique consistant à projeter le gaz chauffé sur la plaquette en de multiples endroits a également été essayée ; mais si cette méthode permet de répartir plus uniformément les défauts sur la couche métallique, elle ne réduit pas de façon adéquate le nombre global de défauts.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION
L'invention permet la formation d'une couche de métal sur un substrat avec peu ou pas d'évidements dans la couche. Selon l'invention, une couche de métal peut être formée sur un substrat à l'aide d'une étape de dépôt à froid suivie d'une étape de dépôt à chaud. La durée de l'étape de dépôt à froid doit être juste suffisante pour permettre le dépôt du métal sur la totalité de la surface sur laquelle la couche métallique doit se former. Dans l'étape de dépôt à chaud, le reste du métal peut être déposé pendant que le substrat est rapidement chauffé à une température cible. En particulier, I'invention permet au substrat d'être chauffé plus rapidement que ce qui était le cas dans les méthodes antérieures de métallisation faisant intervenir une étape de dépôt à froid suivie d'une étape de dépôt à chaud. Le chauffage rapide du substrat entraîne le chauffage rapide du métal déposé sur le substrat. Le chauffage rapide de ce métal rend très rapidement l'atome métallique mobile ; en particulier, la mobilité des atomes de métal les plus récemment déposés (qui se trouvent en général le plus éloignés du point d'application de la chaleur) est améliorée. n en résulte que le métal déposé est bien moins susceptible à la formation de rebords et d'évidements que dans les méthodes antérieures de dépôt d'une couche métallique sur un substrat. Le chauffage rapide du substrat peut être obtenu, par exemple, en faisant circuler un gaz chauffé sur le substrat à un débit plus élevé que ce qui était jugé faisable auparavant.

L'invention présente plusieurs avantages par rapport aux méthodes antérieures de formation d'une couche métallique. Tout d'abord, l'invention permet d'accomplir l'étape de dépôt à chaud en un temps plus court par rapport à ce qu'était le cas dans les méthodes antérieures similaires, augmentant ainsi le rendement. En outre, cette invention permet d'obtenir des couches métalliques ayant peu ou pas d'évidements et, en particulier, moins d'évidements qu'avec les méthodes précédentes. En particulier, l'invention peut être utilisée pour remplir de manière fiable (c'est à dire en atteignant un taux de couverture d'échelon de 100 %) les rainures biseautées ayant un rapport hauteur/largeur supérieur à 1:1, en particulier quand la profondeur de la rainure est d'environ 0,5 microns ou moins. En outre,
I'invention permet à ces avantages d'être réalisés sans augmenter la température à laquelle le substrat est chauffé, évitant ainsi le risque accru de dommage au substrat ou aux couches, lignes et autres structures déposées ou formées précédemment et associées à l'utilisation de températures plus élevées.

Dans l'un des modes particuliers de l'invention, une méthode de formation d'une couche de métal sur la surface d'un substrat inclut les étapes de dépôt d'une première quantité de métal sur la surface du substrat, puis de dépôt d'une seconde quantité de métal sur la première quantité de métal tout en chauffant le substrat à partir d'une température basse jusqu'à environ 95 % d'une température chaude cible, à une vitesse moyenne supérieure ou égale à environ 10 C/seconde, de préférence supérieure ou égale à environ 1 50C/seconde, et au mieux supérieure ou égale à environ 25"C/seconde. Avantageusement,la température initiale démarre à environ 40"C jusqu'à 250"C et la température cible va d'environ 380"C jusqu'à environ 500"C. La durée du dépôt de la première quantitéde métal doit simplement suffire à ce que le métal soit déposé de façon à couvrir la surface du substrat. Le dépôt de la seconde quantité de métal sera suffisamment long pour achever la formation de la couche de métal. Il est également possible d'interrompre le chauffage avant que la couche de métal soit terminée, le reste du métal étant déposé sans application de la chaleur (par exemple pendant le refroidissement du substrat). Le chauffage rapide du substrat rend mobiles très rapidement les atomes de métal déposés (par exemple en augmentant la mobilité des atomes de façon suffisante pour aider.les atomes déposés à se déplacer et/ou migrer après leur dépôt sur le substrat). II en résulte que le métal déposé est moins susceptible de former des rebords et des évidements que ce qui était le cas avec les méthodes antérieures de dépôt d'une couche métallique sur un substrat. En outre, le chauffage rapide permet d'effectuer ce dépôt plus rapidement que ce qui était auparavant possible, augmentant ainsi le rendement.

Dans un autre mode particulier de l'invention, une méthode de formation d'une couche de métal d'une épaisseur prédéterminée sur une première surface d'un substrat inclut les étapes de dépôt d'une première quantité de métal sur la surface du substrat, puis de dépôt d'une seconde quantité de métal sur la première quantité tout en faisant circuler un gaz chauffé sur le substrat avec un débit gazeux supérieur à ou égal à 15 cm3/minute standard, de préférence supérieur ou égal à environ 20 cm3/minute standard et au mieux supérieur ou égal à 30 cm3/minute standard. Comme dans le mode particulier précédent, la durée du dépôt de la première quantité de métal doit simplement suffire à assurer que le métal est déposé de façon à couvrir la surface du substrat. Ce gaz peut être, par exemple, L'argon ou un autre gaz inerte. (Le débit exact peut dépendre dans une certaine mesure du gaz utilisé). Le métal déposé peut être n'importe quel métal comme par exemple,
I'aluminium. La projection du gaz chauffé sur le substrat avec un tel débit permet un transfert plus rapide de la chaleur au substrat, avec les avantages qui en résultent et qui sont discutés plus haut. En outre, l'utilisation de débits aussi élevés permet à ce chauffage rapide d'être réalisé sans augmenter la température du gaz de chauffage, ce qui permet d'éviter le risque de détérioration du substrat ou des structures formées associé à l'utilisation de températures de gaz plus élevées.

Dans un autre mode particulier de l'invention, un substrat ayant des première et seconde surfaces en opposition est positionné dans une chambre de procédé, et une méthode de formation d'une couche de métal sur le substrat comprend les étapes d'injection d'un premier gaz dans la chambre de procédé, en un endroit proche de la première surface puis, après un laps de temps prédéterminé, d'injection d'un second gaz dans la chambre de procédé afin que le second gaz, qui est chauffé, passe sur la seconde surface du substrat, provoquant ainsi l'augmentation de la température du substrat. Les premier et second gaz peuvent être par exemple l'argon ou un autre gaz inerte. Le premier gaz interagit avec une source du métal dans la chambre de procédé et provoque le dépôt du métal de la source de métal sur la première surface du substrat. Le laps de temps prédéterminé antérieur au passage du second gaz dans la chambre de procédé doit être suffisant afin d'assurer que le métal soit déposé de façon à couvrir la première surface du substrat. Quand le second gaz est mis en circulation, les débits du premier et du second gaz sont contrôlés de manière à ce que la pression différentielle sur le substrat ne soit pas suffisante pour entraîner des défaillances mécaniques. Ceci peut être réalisé en contrôlant le rapport du débit du premier gaz sur le débit du second gaz afin qu'in soit supérieur ou égal à 2 environ et inférieur à ou égal à 4 environ ou, dans un autre mode particulier, supérieur à ou égal à environ 2,5 5 et inférieur à ou égal à environ 3. Le débit du premier gaz peut être par exemple supérieur ou égal à environ 40 cm3/minute standard, de préférence supérieur à ou égal à 50 cm3/minute standard, et au mieux supérieur à ou égal à 80 cm /minute standard. Le débit de gaz du second gaz peut être par exemple supérieur ou égal à environ 15 cm3/minute standard, de préférence supérieur ou égal à 20 cm3/minute standard et au mieux supérieur ou égal à 30 cm3/minute standard. La pression à l'intérieur de la chambre de procédé peut aussi être contrôlée de façon à être supérieure ou égale à environ 2 mtorr. Un tel contrôle des débits de gaz permet d'utiliser un débit relativement élevé pour le second gaz, permettant ainsi à la température du substrat d'être augmentée relativement plus rapidement que ce qui était précédemment possible, comme cela a été discuté plus haut.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES La Figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un appareil avec lequel l'invention
peut être mise en oeuvre.

La Figure 2 est un organigrarnme de la méthode, selon un mode particulier de
l'invention, pour la formation d'une couche métallique sur un substrat.

La Figure 3 est une vue en coupe d'un substrat en matériau semi-conducteur
après réalisation d'une étape de métallisation à froid d'une méthode selon
l'invention.

La Figure 4A est une vue en coupe d'un substrat de matériau semi-conducteur
après achèvement partiel d'une étape de dépôt à chaud d'une méthode selon
l'invention. La Figure 4B est une vue en coupe d'un substrat de matériau semi
conducteur pendant une étape de métallisation à chaud selon une méthode
antérieure de métallisation à chaud, après dépôt d'une quantité
approximativement égale à celle indiquée dans la Figure 4A.

La Figure 5A est une vue en coupe d'un substrat de matériau semi-conducteur
montré dans la Figure 4A, à un moment ultérieur pendant l'étape de
métallisation à chaud que celui indiqué dans la Figure 4A. La Figure 5B est une
vue en coupe d'un substrat de matériau semi-conducteur pendant l'étape de
métallisation à chaud selon une méthode antérieure de métallisation à chaud,
après dépôt d'environ la même quantité de métal que ce qui est indiqué dans la
Figure 5A.

La Figure 6A est une vue en coupe du substrat de matériau semi-conducteur
indiqué dans les figures 4A et 5A, approchant la fin de l'étape de métallisation à
chaud montrée partiellement terminée dans les Figures 4A et 5A. La Figure 6B
est une vue en coupe d'un substrat de semi-conducteur pendant l'étape de
métallisation à chaud selon une méthode antérieure de métallisation à chaud,
après dépôt d'environ la même quantité de métal que celle représentée dans la
Figure 6A.

La Figure 7 est un organigramme d'une méthode, selon un autre mode
particulier de l'invention, pour la formation d'une couche de métal sur un
substrat.

La Figure 8 est une vue en coupe d'un substrat de matériau semi-conducteur sur
lequel plusieurs couches de métal ont été formées, illustrant plusieurs
applications d'une méthode selon l'invention.

DESCRSTION DÉTAILLÉE DE L'INVENEON
La Figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un appareil permettant de mettre en oeuvre l'invention. Comme indiqué dans la Figure 1, l'appareil est une chambre de pulvérisation conventionnelle. Toutefois, de façon générale, L'appareil peut être tout appareil configuré de façon à permettre à un métal d'être déposé sur une surface d'un substrat.

Un substrat 101 (par exemple une tranche de matériau semi-conducteur) est positionné dans une chambre de procédé 102. Comme le savent bien les spécialistes de la pulvérisation cathodique, la chambre de procédé 102 est maintenue sous vide et un gaz de pulvérisation est injecté dans la chambre de procédé 102 par un ou plusieurs jets de gaz (deux jets de gaz 1 03a et 1 03b sont représentés dans la figure 1), le gaz est ionisé et les ions sont accélérés vers une cible de pulvérisation 104. Un métal à déposer sur une surface du substrat 101 (la surface supérieure, comme indiqué sur la Figure 1) se trouve sur la cible de pulvérisation 104 de façon que lorsque les ions du gaz de pulvérisation frappent la cible de pulvérisation 104, les atomes de métal (indiqués en général par les flèches désignées par le numéro 105) sont délogés de la cible de pulvérisation 104. Certains des atomes de métal délogés sont déposés sur la surface supérieure du substrat 101, formant ainsi une couche métallique sur le substrat 101.

Initialement, le substrat 101 peut être supporté sur une surface de support de substrat 106a d'un support de substrat 106. Comme la description cidessous permettra de l'apprécier, lors d'une première étape d'une méthode selon l'invention, le métal est déposé sur la surface supérieure du substrat alors que le substrat 101 est supporté sur la surface de support de substrat 106a. Comme la description ci-dessous permettra de l'apprécier, durant une seconde étape d'une méthode selon l'invention, un gaz chauffé (indiqué généralement par la flèche désignée par le repère 107) circule par un conduit 106b formé dans le support du substrat 106 pour venir frapper la surface (la surface inférieure comme indiqué dans la Figure 1) du substrat 101, forçant le substrat 101 hors de la surface de support de substrat 1 06a et contre les ergots de retenue du substrat 106c et 106d qui peuvent être formés sur le support de substrat 106. Le substrat 101 est maintenu en place contre les ergots de retenue du substrat 106c et 106d par le gaz 107 alors que le métal est déposé sur la surface supérieure du substrat pendant la seconde étape (cette position est représentée sur la figure 1). Bien que la Figure 1 représente une seule entrée de gaz de chauffage (conduit 106b), il faut comprendre que le gaz de chauffage peut être amené par un nombre quelconque d'arrivées de gaz de chauffage, que les arrivées de gaz de chauffage peuvent être positionnées en tout point proche de la surface inférieure du substrat et que les arrivées de gaz de chauffage peuvent être configurées de façon à projeter le gaz de chauffage contre le substrat 101 sous n'importe quel angle.

L'invention peut par exemple être mise en aeuvre à l'aide d'un système de pulvérisation Endura fabriqué par Applied Materials de Santa Clara, Californie.

Des exemples de grandeurs physiques sont donnés ci-dessous pour certains aspects de l'invention, tels que les débits de gaz de chauffage et de gaz de pulvérisation, les températures de gaz de chauffage, les températures du substrat, et la durée de certaines étapes du procédé. Ces grandeurs ont trait plus particulièrement à la mise en ceuvre de l'invention utilisant un système de pulvérisation Endura. Cependant, les grandeurs doivent être similaires pour d'autres systèmes de pulvérisation. Les relations qualitatives entre ces grandeurs doivent également être similaires. En particulier, les relations entre certaines quantités doivent être approximativement les mêmes pour d'autres systèmes de pulvérisation, par exemple le ratio du débit de gaz de pulvérisation sur le débit de gaz de chauffage, et les durées relatives de certaines étapes des méthodes selon l'invention et des méthodes de métallisation à chaud antérieures.

La Figure 2 est un organigramme d'une méthode 200, selon un mode particulier de l'invention, pour la formation d'une couche de métal sur un substrat.

La méthode 200 inclut une étape de dépôt "à froid" 201 dans laquelle le métal est déposé pendant que le substrat est à une température relativement basse, et une étape de dépôt "à chaud" 202 dans laquelle le métal est déposé alors que le substrat est à une température relativement élevée. Le chauffage du substrat pendant l'étape de dépôt à chaud 202 provoque le chauffage du métal déposé pendant l'étape de dépôt à froid 201 (et, initialement, le métal ultérieurement déposé ensuite lors de l'étape de dépôt à chaud 202). Le chauffage du métal déposé sur le substrat augmente la mobilité des atomes de métal provoque une dispersion plus uniforme du métal sur la surface du substrat et diminue la tendance du métal à créer des rebords et des évidements. Un aspect clé de l'invention réside en ce que le substrat est chauffé plus rapidement pendant l'étape de dépôt à chaud que ce qui était le cas avec d'autres méthodes de métallisation y compris l'étape de dépôt à chaud. Ainsi, la mobilité des atomes de métal augmente plus rapidement que ce qui était précédemment le cas. En particulier la mobilité des atomes distants de la surface du substrat augmente plus rapidement qu'avec d'autres méthodes, inhibant ainsi la formation de rebords et d'évidements de façon plus efficace que ce qui était auparavant possible.

Dans l'étape de dépôt à froid 201, une première quantité de métal est déposée sur la surface du substrat. Pendant l'étape 201, la température du substrat est typiquement élevée au-dessus de la température atmosphérique ambiante. Par exemple, quand le substrat est une tranche de matériau semi-conducteur, la première quantité est typiquement déposée rapidement après que la plaquette n'ait subi un autre traitement, par exemple par couche de mouillage de titane ou de titane-tungstène, ce qui provoque l'élévation de la température de la tranche. De façon illustrée, la température de la plaquette pendant l'étape 201 peut aller d'environ 40"C à environ 250"C, et de préférence à environ 200"C. (Comme il apparaîtra à partir de la description ci-après, cette température est inférieure à la température de la plaquette pendant l'étape 202 ; et donc l'étape 201 est désignée comme étant l'étape de dépôt "à froid".)
Pendant l'étape de dépôt à chaud 202, le substrat est chauffé à partir de sa température de l'étape de dépôt 201 (température initiale ou "température froide") jusqu'à une température cible ("chaude"). La température cible est choisie pour obtenir un compromis entre l'avantageuse mobilité accrue des atomes de métal de la couche de métal déposée permise par l'augmentation de la température cible, et le risque défavorable accru de provoquer des dommages au substrat (par exemple en provoquant la fusion de la métallisation précédemment déposée sur le substrat) également associée à l'augmentation de la température cible. De façon illustrée, lorsque le métal est l'aluminium, le substrat peut être chauffé jusqu'à une température d'environ 500"C pour la formation d'une première couche d'aluminium sur le substrat et jusqu'à environ 430"C pour la formation d'une seconde couche d'aluminium sur le substrat. (11 est en général souhaitable de chauffer le substrat à une température plus faible quand d'autres couches métalliques sont déjà présentes sur le substrat, afin de minimiser la possibilité d'endommagement, par exemple par reflux, de ces couches.) Si l'argon est utilisé comme gaz de chauffage, la température de l'argon est établie à environ 550"C et 5000C, respectivement, pour chauffer le substrat à ces températures.

Comme il est mentionné plus haut, l'invention chauffe le substrat plus rapidement que ce qui était auparavant le cas. Dans un mode particulier de l'invention, le substrat est chauffé depuis la température initiale ou froide jusqu'à environ 95 % de la température cible à une vitesse moyenne supérieure ou égale à environ 10 C/seconde. Selon un autre mode particulier, le substrat est chauffé à une vitesse moyenne supérieure ou égale à environ 15"C/seconde. Dans un autre mode particulier, le substrat est chauffé à une vitesse moyenne supérieure ou égale à 25"C/seconde. Dans un mode particulier donné dans lequel le gaz de chauffage est i'argon, le métal est l'aluminium, et le substrat est chauffé depuis une température initiale d'environ 200"C au début de l'étape de dépôt à chaud jusqu'à une température cible d'environ 500"C, l'invention permet de chauffer le substrat jusqu'à environ 95 % de la température chaude cible en environ 10 secondes. Par contraste, une méthode de métallisation à chaud antérieure (voir la description ci-après) nécessite de 30 secondes à une minute pour chauffer le substrat jusqu'à la température cible dans les mêmes conditions.

Le substrat peut être chauffé en projetant un gaz chauffé contre le substrat comme indiqué ci-dessus conformément à la Figure 1. Tout gaz approprié peut être utilisé comme gaz de chauffage (par exemple un gaz qui ne réagit pas avec le métal déposé ou avec d'autres matériaux formés sur ou dans le substrat), bien que le gaz de chauffage soit le même que les autres gaz utilisés dans la chambre de procédé, par exemple le gaz de pulvérisation injecté dans la chambre du procédé 102 via les jets de gaz 103a et 103b de la Figure 1. Par exemple, tout gaz inerte tel que l'hélium, le néon ou l'argon peuvent être utilisés. L'argon en particulier est un gaz souvent utilisé pour pulvériser le métal, et il est bien adapté pour être utilisé avec l'invention.

Dans une méthode antérieure (ci-après appelée "méthode antérieure de métallisation à chaud"), tel qu'il est abordé ci-dessus, une étape de dépôt à chaud a été mise en oeuvre en chauffant une tranche de semi-conducteur avec du gaz argon tout en pulvérisant de l'aluminium. Dans cette méthode, après avoir effectué une étape de dépôt à froid pendant environ 10 secondes pour déposer une quantité relativement faible d'aluminium (par exemple une quantité ayant une épaisseur qui est d'environ 25 % de l'épaisseur totale), L'argon est projeté contre le substrat à un débit inférieur ou égal à environ 15 cm3/minute standard (c'est à dire 10-15 cm-3/minute standard) à une température de 450"C à 550"C pendant une durée supérieure ou égale à environ 4 minutes. Dans cette méthode, l'argon utilisé dans la pulvérisation est également projeté dans la chambre de procédé à un débit d'environ 40 cm3/minute standard (par exemple entre 30-50 cm3/minute standard). La combinaison des débits gazeux, associée à un mécanisme d'évacuation standard, crée une pression de 2 mtorr dans la chambre du procédé. On a pu déterminer que les pressions de chambre supérieure à environ 2 mtorr n'étaient pas souhaitables du au fait que, par exemple, les pressions de chambre supérieures à cette valeur donnent une valeur insuffisante du plus long chemin libre moyen des atomes de métal déposés pour assurer qu'un nombre suffisant d'atomes de métal atteignent le fond des rainures (en particulier de celles ayant un rapport largeur/hauteur relativement élevé). Ainsi, on a jugé nécessaire de maintenir un débit de gaz combiné ayant la valeur indiquée ci-dessus pour assurer une pression suffisamment basse dans la chambre.
n serait souhaitable d'augmenter le débit du gaz de chauffage afin d'augmenter la vitesse d'augmentation de la température du substrat (augmentant ainsi la mobilité des atomes de métal déposés et réduisant de cette sorte la formation de rebords et d'évidements dans le métal déposé) ; toutefois, au vu de ce qui précède, une telle augmentation doit se faire aux dépens d'une diminution du débit du gaz de pulvérisation. Ceci n'est pas souhaitable car cela peut affecter l'uniformité et parce qu'un tel changement dans les débits crée une pression différentielle sur le substrat qui peut entraîner la rupture du substrat.

Contrairement aux enseignements des méthodes antérieures de formation d'une couche de métal sur un substrat faisant intervenir une étape de métallisation à froid suivie d'une étape de métallisation à chaud, I'invention permet de chauffer un substrat pendant l'étape de métallisation à chaud à une vitesse plus rapide que ce qui était possible jusqu'à présent, en augmentant le débit du gaz de chauffage ut débit du gaz de chauffage, et dans un autre mode encore particulier, le débit du gaz de pulvérisation est inférieur ou égal à environ 3 fois le débit du gaz de chauffage.

Dans un autre mode particulier de l'invention, les débits de gaz de pulvérisation et de gaz de chauffage sont régulés de manière à ce que la pression différentielle sur le substrat ne soit pas suffisante pour que le substrat subisse une défaillance mécanique, et de façon que la pression dans la chambre de procédé soit supérieure ou égale à environ 2 mtorr. Dans un autre mode particulier, la pression de la chambre est supérieure ou égale à environ 3 mtorr, et dans un autre mode particulier, la pression de la chambre est supérieure ou égale à 4 mtorr. La pression de la chambre peut être contrôlée par, outre le contrôle des débits gazeux, le contrôle du mécanisme d'échappement (par exemple en faisant varier le régime de la pompe d'échappement, en employant des moyens d'échappement équipés d'un clapet anti-retour ou d'un régulateur de pression, etc.).

Dans un mode particulier spécifique, le débit du gaz de pulvérisation est supérieur ou égal à environ 40 cm3/minute standard et le débit du gaz de chauffage est supérieur ou égal à environ 15 cm3/minute standard. Dans un autre mode particulier, le débit du gaz de pulvérisation est supérieur à ou égal à environ 50 cm3/minute standard et le débit du gaz de chauffage est supérieur à ou égal à environ 20 cm3/minute standard. Dans un autre mode particulier donné, le débit du gaz de pulvérisation est supérieur à ou égal à environ 80 cm3/minute standard et le débit du gaz de chauffage est supérieur à ou égal à environ 30 cm3/minute standard.

Dans ce dernier mode particulier, la pression de la chambre est d'environ 6 mtorr.

Ainsi, comme on peut le voir ci-dessus, conformément à l'invention, le débit du gaz de chauffage et la pression de la chambre sont augmentés au-dessus de ce qui semblait être les valeurs maximales souhaitables, sans conséquences négatives importantes. L'invention permet d'achever l'étape de dépôt à chaud plus rapidement que ce qui était possible auparavant (c'est-à-dire en un temps égal ou inférieur à 3 minutes pour une étape de dépôt à chaud qui, comme indiqué cidessus, nécessitait 3 à 5 minutes dans la méthode de métallisation à chaud antérieure), avec formation de peu ou pas d'évidements dans la couche de métal déposée. I1 est estimé que ceci est permis, nonobstant la diminution probable (associée à la pression accrue dans la chambre) du chemin libre moyen des atomes de métal déposés, parce que cet effet négatif (s'il existe) est plus que compensé par l'effet positif d'une mobilité accrue des atomes de métal déposés, qui résulte de l'augmentation rapide de la température du substrat.

En outre, comme il est exposé plus haut, I'augmentation de la température du gaz de chauffage a été essayée comme moyen d'accélérer la vitesse d'augmentation de la température du substrat. Cependant, cette mesure a été jugée indésirable dans la mesure où la température du substrat est augmentée au delà de ce que l'on désire (ce qui augmente les risques de détérioration des couches de métal ou structures précédemment déposées sur ou dans le substrat). L'invention permet au substrat d'être chauffé rapidement sans augmenter la température du gaz de chauffage.

Dans la mesure où l'on introduit moins de gaz chauffé dans la chambre de procédé pendant l'étape de dépôt à froid 201, la pression de la chambre est inférieure pendant l'étape 201 que pendant l'étape de dépôt à chaud 202, ce qui permet au métal d'être déposé plus rapidement pendant l'étape de dépôt à froid 201 que pendant l'étape de dépôt à chaud 202. Cependant, dans la mesure où la mobilité des atomes de métal déposés sur le substrat diminue quand la température diminue, les atomes de métal ne sont pas aussi mobiles pendant l'étape de dépôt à froid 201 que pendant l'étape de dépôt à chaud 202, ce qui augmente la probabilité de formation de rebords ou d'évidements quand le métal est déposé dans des rainures dont le rapport hauteur/largeur est élevé ou sur des échelons élevés pendant ltétape de dépôt à froid 201. Ainsi, L'étape de dépôt à froid 201 est raccourcie de façon souhaitable pour minimiser ou éliminer les problèmes de formation de rebords ou d'évidements.

En outre, il suffit pendant l'étape de dépôt à froid 201 de déposer une quantité de métal suffisante pour s'assurer que toutes les parties de la surface sur laquelle la couche de métal doit être formée sont couvertes de métal, de façon à former une bonne couche de mouillage pour l'étape de dépôt à chaud suivante 202.

Ainsi, dans un mode particulier de l'invention, l'étape 201 est effectuée pendant une durée prédéfinie suffisamment longue pour assurer que le métal est déposé dc manière à couvrir la surface du substrat. La durée exacte peut varier selon différents paramètres du procédé, tels que le métal déposé, le type de gaz de pulvérisation et la géométrie (c'est à dire le rapport hauteur/largeur des rainures, la hauteur des échelons) sur laquelle le métal est déposé. À titre d'illustration, une quantité de métal inférieure ou égale à environ 25 % de l'épaisseur totale de la couche de métal à former peut être déposée pendant l'étape de dépôt à froid 201. À titre d'illustration, quand de l'aluminium est déposé en utilisant l'argon comme gaz de pulvérisation,
L'étape de dépôt à froid 201 peut être effectuée en un temps égal ou inférieur à 10 secondes.

La Figure 3 est une représentation en coupe d'un substrat à semiconducteur après achèvement d'une étape de métallisation à froid d'une méthode selon l'invention, c'est à dire l'étape de dépôt à froid 201 de la méthode 200. (Dans la mesure où l'étape de dépôt à froid 201 de la méthode 200 est similaire à celle de l'étape de dépôt à froid de la méthode de métallisation à chaud précédente décrite plus haut, la vue en coupe de la Figure 3 illustre également le substrat de matériau semi-conducteur après achèvement de l'étape à froid de la méthode de métallisation à chaud antérieure). Le métal 301 représenté sur la Figure 3 est une première quantité déposée pendant l'étape de métallisation à froid de l'invention. Le métal 301 peut être déposé dans une rainure 304 formée en oxyde 302 ayant été précédemment formée sur une couche métallique 305. Une couche de mouillage 303 (décrite plus en détail ci-dessous) est également montrée dans la Figure 3. Si la couche de mouillage 303 n'a pas nécessairement à être présente, la présence de la couche de mouillage 303 peut, en pratique, augmenter le rendement associé à la méthode de l'invention. Comme on peut le constater, à la fin de l'étape de métallisation à froid, I'épaisseur du métal 301 est relativement faible, c'est à dire environ de 25 % ou moins par rapport à l'épaisseur globale de la couche de métal produite par la méthode selon l'invention.

Les Figures 4A, SA et 6A sont des vues en coupe d'une portion du substrat de matériau semi-conducteur représentée dans la Figure 3 après achèvement progressif de plus en plus important d'une étape de métallisation à chaud d'une méthode selon l'invention. Les Figures 4A, SA et 6B sont des vues en coupe de la même portion de substrat de matériau semi-conducteur après dépôt d'une quantité de métal similaire à celle indiquée dans les Figures 4A, SA et 6A correspondantes lors d'une méthode antérieure de métallisation à chaud. Dans la
Figure 4B (qui résulte de la méthode précédente), les rebords 312a et 312b commencent à se former lorsque le métal 311 est déposé sur les coins de l'oxyde 302. Dans la Figure 4A (représentative de l'invention présente), d'un autre côté, le métal 301 remplit uniformément la rainure 304. La plus grande mobilité des atomes de métal 301, comparée aux atomes de métal 311, provoquée par le chauffage plus rapide du substrat, produit ce résultat. La comparaison des Figures 5A et 5B montre que la différence de résultats produits par la méthode de l'invention et la méthode antérieure de métallisation à chaud a été accentuée dans le temps. Enfin, dans la
Figure 6B, les rebords 31 2a et 31 2b produits par la méthode antérieure de métallisation à chaud se rejoignent jusqu'à former un évidement 313. Dans la Figure 6A, en revanche, la présente méthode permet un remplissage uniforme de la rainure 304 par le métal 301.

La Figure 7 représente un organigramme de la méthode 700, selon un autre mode particulier de l'invention, pour la formation d'une couche métallique sur un substrat. Pour débuter la méthode 700, L'étape 201 est effectuée, comme indiqué ci-dessus dans la méthode 200 représentée dans la figure 2, pour déposer une première quantité de métal. Comme indiqué plus haut, L'étape 201 peut être effectuée pendant la durée nécessaire pour assurer que la totalité de la surface sur laquelle doit être formée la couche métallique est couverte de métal ; à titre d'illustration, L'étape 201 peut être effectuée pendant environ 10 secondes quand l'aluminium est déposé en utilisant l'argon comme gaz de pulvérisation.

Ensuite, une étape 702 est exécutée dans laquelle le substrat est chauffé alors qu'une seconde quantité de métal est déposée sur la première quantité déposée pendant l'étape 201. L'étape 702 est similaire à l'étape 202 de la méthode 200 décrite plus haut (Figure 2), et ne diffère que par la durée de l'étape : à la différence de l'étape 202,1'étape 702 n'est pas effectuée avant que n'ait lieu le dépôt du métal restant nécessaire pour former une couche métallique d'épaisseur désirée et elle est donc en général plus courte que l'étape 202. L'étape 702 peut être effectuée pendant un certain laps de temps ou jusqu'à ce qu'une quantité spécifiée de métal ait été déposée. À titre d'illustration, quand l'aluminium est déposé en utilisant l'argon comme gaz dc pulvérisation, l'étape 702 peut être effectuée pendant environ 2 minutes quand l'étape 702 et une étape de dépôt de métal à froid 703 (décrite cidessous) ayant une durée de 10 secondes est effectuée à la place d'une étape dc dépôt à chaud 202 ayant une durée de 3 minutes.

La méthode 700 se terrnine par l'étape 703 dans laquelle un second dépôt à froid est effectué. L'étape 703 est similaire à l'étape 201 en ce que la chaleur n'est pas transmise au substrat. Cependant, la température du substrat pendant l'étape de dépôt à froid 703 est généralement plus élevée que celle de l'étape de dépôt à froid 201, puisque le substrat a été chauffé pendant l'étape de dépôt à chaud 702. Pendant l'étape de dépôt à froid 703, le métal restant nécessaire pour former une couche métallique de l'épaisseur désirée est déposé. À titre d'illustration, quand l'aluminium est déposé en utilisant l'argon comme gaz de pulvérisation, L'étape 703 peut être effectuée pendant environ 10 secondes (comme il est abordé plus haut).

Dans la mesure où une étape de dépôt à froid peut déposer du métal à un rythme plus rapide qu'une étape de dépôt à chaud (une étape de dépôt à froid de dix secondes 703 dans la méthode 700 peut remplacer approximativement la dernière minute de l'étape de dépôt à chaud 202 de la méthode 200), et dans la mesure où le nsque de formation de rebords et d'évidements est relativement minime près de l'extrémité du dépôt de la couche métallique, l'utilisation d'une étape de dépôt à froid pour finir le dépôt peut avantageusement raccourcir le temps global requis pour déposer la couche de métal, avec une faible augmentation du risque de formation de défauts dans la couche métallique.

Les étapes de dépôt à froid et à chaud des méthodes 200 et 700 peuvent être avantageusement effectués dans la même chambre de procédé, évitant ainsi les pertes de rendement occasionnées par le transfert du substrat entre différentes chambres de procédé. Toutefois, une méthode selon l'invention peut aussi être mise en oeuvre de manière à ce que plus d'une chambre de procédé soit utilisée pour mettre en oeuvre les étapes de la méthode.

Les étapes des méthodes 200 et 700 décrites ci-dessus sont typiquement précédées et suivies par un certain nombre d'autres étapes. Ces autres étapes sont généralement exécutées dans des chambres de procédé autres que celles utilisées pour mettre en oeuvre une méthode selon l'invention. Par exemple, ce qui suit décrit une séquence de procédé qui peut englober les étapes d'une méthode selon l'invention. Tout d'abord, une procédure de dégazage conventionnelle peut être exécutée pour retirer l'humidité d'une ou de couches diélectriques sur laquelle une couche métallique doit être formée. Ensuite, une procédure de gravage conventionnelle (c'est à dire une procédure de gravage par pulvérisation conventionnelle) peut être effectuée pour retirer des parties de la ou des couches diélectriques pour créer des rainures ou des échelons. Ensuite, une couche de mouillage (par exemple de 100 ou 300 angströms de titane, d'une composition de titane et de tungstène ou autre matériau approprié) peut être déposée (à l'aide d'un procédé de dépôt conventionnel) sur la surface ou les surfaces sur lesquelles une couche de métal ou des couches doivent être formées. Ensuite, une méthode selon l'invention est utilisée pour déposer la quantité de métal désirée dans l'emplacement ou les emplacements désirés. Le dépôt de métal peut être suivi d'autres étapes de traitement telles que le revêtement standard anti-réfléchissant (ARC, anti-reflective coating) selon des techniques conventionnelles. Enfin, le substrat peut être refroidi selon une procédure de refroidissement standard pendant une durée spécifiée (par exemple 30 secondes). n faut comprendre qu'une méthode selon l'invention n'est pas confinée à une utilisation avec la séquence du procédé décrite immédiatement auparavant, et qu'une méthode selon l'invention peut faire partie d'autres séquences de procédé incluant certaines ou toutes les étapes ci-dessus, aucune des étapes décrites ci-dessus et/ou d'autres étapes non décrites ci-dessus.

L'invention peut par exemple être utilisée pour former divers types de métallisation sur un substrat de matériau semi-conducteur (par exemple une tranche de matériau semi-conducteur). La Figure 8 est une vue latérale d'un substrat de matériau semi-conducteur sur lequel différentes couches métalliques ont été formées, illustrant diverses applications d'une méthode selon l'invention. Par exemple, une couche métallique 804 formée sur la couche diélectrique 802 peut être électriquement reliée à une porte en polysilicone 809 formée sur l'oxyde 810 par un contact métallique 806 qui s'étend au travers d'une couche diélectrique 802. De même, la couche métallique 804 peut être électriquement connectée à une région dopée électriquement 811 du substrat en silicium 801 par un contact métallique 807 qui s'étend au travers d'une couche diélectrique 802. Une seconde couche de métal 805 formée sur la couche diélectrique 803 qui recouvre la première couche métallique 804 peut être connectée électroniquement à la première couche métallique 804 par un contact métallique 808 qui s'étend au travers de la couche diélectrique 803. Quand l'aluminium est utilisé pour la couche 804, alors une couche barrière empêchant ou inhibant la migration des atomes de silicium dans l'aluminium peut être nécessaire. Des exemples d'une telle couche barrière sont l'alliage titane-tungstène ou le titane-nitrure. La couche barrière peut avoir une couche (de titane par exemple) entre elle et la structure sous-jacente qui réduit la résistance de contact.

L'invention est très largement applicable à la formation d'une couche métallique sur tout type de substrat ou de dispositif. Par exemple, la formation d'une couche métallique selon l'invention peut être réalisée sur tout type de substrat en matériau semi-conducteur, tel qu'une tranche de matériau semi-conducteur. À titre d'illustration, l'invention peut être utilisée pour former des couches métalliques dans des composants électroniques actifs (par exemple des circuits intégrés, des transistors et diodes) et des composants électroniques passifs (par exemple des résistances, capacitances et inductances). L'invention peut aussi être utilisée pour former des couches métalliques dans d'autres types de dispositifs, tels que les grilles de connexion, les appareillages médicaux, les disques et têtes, les écrans plats et les masques microélectroniques.

Divers modes particuliers de l'invention ont été décrits. Les descriptions sont destinées à servir d'illustration et ne sont pas limitatives. Ainsi, il sera clair aux personnes compétentes dans l'Illustration en question que certaines modifications peuvent être apportées à l'invention telle qu'elle est décrite ci-dessus sans s'écarter de l'étendue des revendications exprimées ci-dessous

Claims

REVENDICATIONS

1. Un procédé de formation d'une couche métallique sur un substrat (101), en ce qu'il comprend les étapes de:

dépôt (201) d'une première quantité de métal (301) sur une première surface

de substrat, la première quantité de métal étant suffisante pour couvrir la

surface du substrat;

chauffage (202) du substrat depuis une température initiale jusqu'à environ

95 % d'une température cible à une vitesse moyenne supérieure ou égale à

environ 10 C/ seconde; et

pendant ou après l'étape de chauffage, dépôt (202) d'une seconde quantité de

métal (301) sur la première quantité de métal.

2. Un procédé selon la Revendication 1, dans lequel la vitesse moyenne est supérieure à ou égale à environ 15"C/seconde.

3. Un procédé selon la Revendication 1, dans lequel la vitesse moyenne est supérieure à ou égale à environ 25 C/seconde.

4. Un procédé selon la Revendication 1, dans lequel la température initiale démarre à environ 40"C jusqu'à 250"C et la température cible va d'environ 380"C jusqu'à environ 500"C.

5. Un procédé selon la Revendication 1, dans lequel l'étape de chauffage comprend en outre la mise en circulation d'un gaz chauffé à une température prédéterminée, et une circulation du gaz contre une seconde surface du substrat (101), la seconde surface étant opposée à la première surface.

6. Un procédé selon la Revendication 1, dans lequel le métal est l'aluminium.

7. Un procédé selon la Revendication 1, comprenant en outre les étapes de:

refroidissement jusqu'à une troisième température ; et

dépôt (703) d'une troisième quantité de métal sur la seconde quantité de

métal.

8. Un procédé de formation d'une couche de métal sur un substrat (101), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de:

dépôt (201)d'une première quantité de métal (301)sur une première surface

de substrat, la première quantité de métal étant suffisante pour couvrir la

première surface du substrat;

projection d'un gaz chauffé (202)contre une seconde surface du substrat, la

seconde surface étant à l'opposé de la première surface, le débit gazeux étant

supérieur à ou égal à environ 15 cm3/minute standard ; et

pendant ou après l'étape de mise en circulation, le dépôt (202)d'une seconde

quantité de métal (30l)sur la première quantité de métal.

9. Un procédé selon la Revendication 8, dans lequel ]e débit gazeux est supérieur à ou égal à environ 20 cm3/minute standard.

10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le débit gazeux est

supérieur ou égal à environ 30 cm3/minute standard.

1 0 C/minute.

supérieure ou égale à 95 % d'une température cible à un taux d'au moins

chauffe le substrat (01)depuis une température initiale jusqu'à une température

11:. Un procédé selon la Revendication 8, dans lequel débit de gaz

12. Un procédé selon la Revendication 11, dans lequel la température

initiale est 40-250"C et la température cible est 380-500"C.

13. Un procédé selon la Revendication 8, dans lequel le métal est

l'aluminium.

14. Un procédé de formation d'une couche de métal sur un substrat

(101), le substrat étant positionné dans une chambre de procédé (102)et ayant une

première et une seconde surface opposées, caractérisé en ce qu'il comprend les

étapes de

projection d'un gaz de chambre dans la chambre de procédé

projection d'un gaz arrière chauffé (107) dans la chambre de procédé contre

la seconde surface du substrat, de façon que la température du substrat

augmente, et en ce que (a) les débits des gaz de la chambre et arrières et (b)

la pression de la chambre sont contrôlés de manière à ce que la pression

différentielle sur le substrat pendant que les gaz circulent ne soit pas

suffisante pour que le substrat subisse une défaillance mécanique, et la

pression dans la chambre de procédé étant supérieure à environ 2 mtorr ; et

le dépôt d'un métal sur le substrat pendant les étapes de mise en circulation.

15. Un procédé selon la Revendication 14, dans lequel le rapport du

débit du premier gaz sur le débit du second gaz est supérieur ou égal à 2 environ.

16. Un procédé selon la Revendication 14, dans lequel le rapport du débit du premier gaz sur le débit du second gaz est inférieur ou égal à 4 environ.

17. Un procédé selon la Revendication 14, dans lequel le rapport du débit du premier gaz sur le débit du second gaz est supérieur à ou égal à 2,5 environ et inférieur à ou égal à 3 environ.

18. Un procédé selon la Revendication 14, dans lequel

le débit du premier gaz est supérieur à environ 40 cm3/minute standard ; et

le débit du second gaz est supérieur à environ 15 cm3/minute standard.

19. Un procédé selon la Revendication 18, dans lequel

le débit du premier gaz est supérieur à environ 50 cm3/minute standard ; et le débit du second gaz est supérieur à environ 20 cm3/minute standard.

20. Un procédé selon la Revendication 19, dans lequel

le débit du premier gaz est supérieur à environ S0 cm3/minute standard; ; et le débit du second gaz est supérieur à environ 30 cm3/minute standard.