FR2781922A1 - Procede de polissage mecano-chimique d'une couche en un materiau a base de cuivre - Google Patents

Procede de polissage mecano-chimique d'une couche en un materiau a base de cuivre Download PDF

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Abstract

Procédé de polissage mécano-chimique d'une couche en un matériau à base de cuivre au moyen d'une composition polissante, caractérisé en ce que la dite composition polissante comprend une suspension aqueuse de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, dont le diamètre moyen est compris entre 10 et 100 nm, le pH de la suspension aqueuse étant compris entre 1 et 5.

Description

La présente invention concerne un procédé de polissage mécano-
chimique d'une couche en un matériau à base de cuivre, en particulier pour la
formation des lignes d'interconnexion de circuits intégrés.
Les lignes d'interconnexion des semi-conducteurs sont habituellement réalisées à partir d'un film d'aluminium d'environ 1 pm d'épaisseur par lithographie, puis par gravure ionique réactive (Reactive lonic Etching = RIE). Elles sont ensuite encapsulées dans une couche diélectrique, le plus souvent à base d'oxyde de silicium, obtenue par exemple par
décomposition en phase vapeur du tétraéthylorthosilicate (TEOS).
L'augmentation du nombre de transistors par unité de surface, appelée aussi densité d'intégration, impose de réduire la largeur des lignes d'interconnexion. Ceci a pour conséquence d'augmenter la résistance électrique de ces lignes d'interconnexion, de même que les phénomènes d'électromigration. Le cuivre a pour avantage sur l'aluminium de conférer une meilleure résistance à l'électromigration. De plus, sa résistivité est plus faible que celle de l'aluminium. Il est donc appelé à remplacer avantageusement l'aluminium en tant que constituant des lignes d'interconnexion des circuits intégrés. Il est actuellement difficile de graver les lignes d'interconnexion en
cuivre par gravure ionique réactive (RIE).
Le procédé damascène est actuellement la meilleure alternative connue pour définir des lignes d'interconnexion en cuivre. Le procédé damascène consiste à déposer sur un substrat une couche diélectrique à base d'oxyde de silicium. Cette couche diélectrique peut être obtenue, par exemple, par décomposition en phase vapeur du TEOS. La couche diélectrique présente généralement une épaisseur d'environ 2 jim. On transfère ensuite sur cette couche diélectrique, par photolithographie puis par gravure ionique réactive (RIE), le dessin du circuit d'interconnexion. Celui-ci est généralement gravé de
sorte à former des tranchées d'une profondeur d'un pLm environ.
Par la suite, on dépose généralement une barrière de diffusion d'environ 100 nm d'épaisseur sur la couche diélectrique. Cette barrière de diffusion empêche la diffusion du cuivre dans le matériau diélectrique. La barrière de diffusion est habituellement constituée de titane ou de nitrure de titane (TiN). On dépose alors une couche en un matériau à base de cuivre d'une épaisseur d'environ 2 pim. Le matériau à base de cuivre peut être du cuivre élémentaire ou des alliages de cuivre, en particulier Cu-Si, Cu-AI,
Cu-Si-AI ou Cu-Ag.
Le matériau à base de cuivre doit être poli par polissage mécano-
chimique jusqu'à atteindre la surface de la couche diélectrique à base d'oxyde de silicium. Le matériau à base de cuivre ne subsiste alors que dans les tranchées. Le procédé damascène est illustré par les figures 1 et 2. Plus particulièrement, la figure 1 représente une coupe transversale d'une ligne d'interconnexion d'un circuit intégré avant polissage mécano-chimique. Cette coupe transversale comprend une couche 1 en un matériau diélectrique dans laquelle est gravée une tranchée 4. Une couche 2 constituant une barrière de diffusion est déposée sur la couche 1, cette couche 2 étant elle même recouverte d'une couche 3 en un matériau à base de cuivre. La figure 2 représente une coupe transversale d'une ligne d'interconnexion du même circuit intégré après polissage mécano-chimique, ce dernier ayant été réalisé
de manière idéale.
Pour réaliser le polissage mécano-chimique de la couche à base de cuivre, deux phénomènes doivent être évités: - une attaque de la couche d'oxyde de silicium sous-jacente, appelée le plus souvent phénomène d'érosion. Elle a pour conséquence d'introduire localement des reliefs, ce qui va à l'encontre du but de planarisation recherché. - un surpolissage des lignes d'interconnexion dans les tranchées, appelé le plus souvent phénomène de "dishing" (ou phénomène de "cuvette). Ce phénomène introduit également des reliefs, et de plus, réduit l'épaisseur
des lignes d'interconnexion, et, de ce fait, réduit leur conductance.
Les deux phénomènes mentionnés ci-dessus sont illustrés par les figures 3 et 4. Plus particulièrement, la figure 3 représente une coupe transversale d'une ligne d'interconnexion du circuit intégré illustré à la figure 1 après un polissage ayant entraîné un phénomène d'érosion. La figure 4 représente une coupe transversale d'une ligne d'interconnexion du circuit intégré illustré à la figure 1 après un polissage ayant entraîné un phénomène
de dishing.
Les deux phénomènes d'érosion et de dishing sont principalement dus à une mauvaise uniformité de polissage du matériau à base de cuivre. En effet, un enlèvement imparfait de la couche à base de cuivre impose d'effectuer un surpolissage important pour éviter tout risque de continuité électrique entre les dispositifs électroniques. On aboutit alors à un surpolissage des lignes
d'interconnexion et des zones diélectriques déjà découvertes.
Il a été proposé dans le brevet US 5.622.525, un procédé pour polir des surfaces de cuivre ou d'alliage contenant principalement du cuivre, au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension de particules de silice colloïfdale dans une solution alcaline, de l'eau déminéralisée et un activateur chimique. Les particules de silice présentent un diamètre moyen
compris entre 20 et 50 nm.
Le brevet US 5.575.885 décrit une solution polissante d'un film de cuivre ou d'un alliage du cuivre, comprenant un acide organique choisi parmi l'acide aminoacétique et l'acide aminosulfurique, un oxydant comme le peroxyde d'hydrogène ou l'hypochlorite de sodium, et de l'eau. La solution polissante peut en outre comprendre des grains abrasifs choisis parmi la silice, la zircone, l'oxyde de cérium et l'alumine. Ces grains abrasifs présentent une taille de grain moyenne comprise entre 20 et 100 nm. La solution alcaline
présente un pH neutre, ou, de préférence, un pH alcalin compris entre 9 et 14.
Une autre composition polissante du cuivre, ou d'un alliage à base de cuivre, a été décrite dans la demande de brevet EP-A-0 747 939. Cette composition polissante comprend des acides organiques solubles dans l'eau, capables de former des complexes avec le cuivre, des grains abrasifs polissants et de l'eau. Les grains abrasifs sont choisis dans le groupe constitués par la silice, le zircone, I'oxyde de cerium et l'alumine. Le diamètre moyen de ces grains est compris entre 20 et 100 nm. Les procédés de polissage du cuivre ou d'un alliage de cuivre conduisent jusqu'à présent à une mauvaise uniformité de polissage, surtout
avec les abrasifs basiques généralement utilisés.
Un premier objet de l'invention consiste alors en un procédé de polissage mécano-chimique permettant une élimination homogène et régulière
d'un matériau à base de cuivre.
Un autre objet de l'invention consiste en un procédé pour former des interconnexions en un matériau à base de cuivre dans les circuits intégrés,
évitant les phénomènes de dishing ou d'érosion.
Encore un autre objet de l'invention consiste en l'utilisation d'une composition polissante à base de silice colloïdale pour polir un matériau à base
de cuivre.
Ainsi, I'invention concerne un procédé de polissage mécano-
chimique d'une couche en un matériau à base de cuivre par une composition polissante, caractérisée en ce que la dite composition polissante comprend une suspension aqueuse de particules de silice colloïdale individualisées non liées entre elles par des liaisons siloxanes dont le diamètre moyen est compris entre et 100 nm, de préférence entre 25 et 50 nm, le pH de cette suspension
aqueuse étant compris entre 1 et 5.
Il a été constaté par les inventeurs que la mise en oeuvre d'une composition polissante comprenant des particules de silice colloïdale non liées entre elles par des liaisons siloxanes et dont le diamètre moyen est compris entre 10 et 100 nm, de préférence entre 20 et 50 nm et dont le pH est compris entre 1 et 5, permettait d'obtenir un excellent compromis entre la vitesse de polissage de la couche de cuivre, le pourcentage d'uniformité de polissage et
un état de surface satisfaisant.
Les suspensions aqueuses acides de silice colloïdale mises en oeuvre dans le procédé de l'invention peuvent être obtenues soit à partir de silicates alcalins, en particulier de silicates de sodium ou de potassium, soit à partir de silicate d'éthyle. De tels procédés sont plus particulièrement décrits dans K.K lier, "The Chemistry of Silica", ch.9, pp. 331-343, Ed. Wiley Interscience, 1979. Les particules de silice colloïdale obtenues selon ce procédé se présentent sous la forme de particules individualisées, non liées
entre elles par des liaisons siloxanes.
Le pH de la suspension aqueuse de particules de silice colloïdale
est de préférence compris entre 2 et 3,5.
Selon un aspect avantageux de l'invention les particules de silice colloïdale présentent un diamètre moyen compris entre 10 et 100 nm, de préférence compris entre 25 et 50 nm et tout particulièrement un diamètre
moyen de 35 nm.
Selon un autre aspect avantageux de l'invention, les particules de silice colloïdale sont "monodisperses". Par ce terme, on entend dans le cadre
de la présente description que 80%, de préférence 90% des particules de silice
colloïdale mises en oeuvre présentent un même diamètre déterminé, et ce à plus ou moins 10% près, de préférence à plus ou moins 5% près. A titre d'exemple, des particules de silice colloïdale monodisperses de 35 nm de diamètre consistent en des particules dont au moins 80%, de préférence 90% d'entre elles ont un diamètre de 35 + 3,5 nm, de préférence un diamètre de 35
+ 1,75 nm.
La composition polissante mise en oeuvre dans le cadre du procédé de l'invention peut comprendre plus de 20% en poids, de préférence
de 30 à 40% en poids de particules de silice colloïdale.
Bien que de très bons résultats de polissage puissent être obtenus au moyen d'une composition polissante ne comprenant que des particules de silice colloïdale en suspension dans de l'eau, il n'est pas exclu que cette composition puisse comporter d'autres composés usuellement mis en oeuvre dans le polissage des matériaux à base de cuivre. Ces composés peuvent notamment consister en un agent oxydant tel que le peroxyde d'hydrogène ou des acides organiques, notamment des acides organiques complexant du cuivre, tels ceux cités dans le brevet US-A-5.75.885 et dans la
demande de brevet EP-A-747.939.
Selon un autre aspect, I'invention concerne un procédé de fabrication de lignes d'interconnexion en un matériau à base de cuivre dans des circuits intégrés selon lequel on réalise les étapes suivantes: - on dépose sur un substrat une couche diélectrique à base d'oxyde de silicium, - on grave à la surface de la couche diélectrique les tranchées d'un circuit d'interconnexion, - le cas échéant, on dépose sur la couche diélectrique une barrière de diffusion, - on dépose sur la couche diélectrique ou, le cas échéant, sur la barrière de diffusion, une couche d'un matériau à base de cuivre, - on polit par polissage mécano-chimique la couche à base de matériau comprenant du cuivre,
ce procédé étant caractérisé en ce que le polissage mécano-
chimique du matériau à base de cuivre est réalisé au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaison siloxanes, les dites particules présentant un diamètre moyen compris entre 10 et 100 nm, de préférence entre 25 et 50 nm, et le pH de la suspension aqueuse étant compris
entre 1 et 5, de préférence entre 2 et 3,5.
Dans la présente description, le matériau à base de cuivre peut
consister en du cuivre élémentaire ou un alliage de cuivre choisi dans le groupe
constitué par les alliages de Cu-Si, Cu-AI, Cu-Si-AI et Cu-Ag.
Les exemples qui suivent ont pur but d'illustrer la présente invention. Dans ces exemples, on a utilisé des plaquettes sur lesquelles on a déposé une couche de cuivre d'environ 1 1i d'épaisseur. La couche de cuivre a ensuite été polie sur une polisseuse PRESI M 550 dans les conditions suivantes: force d'appui 0,25 daN/cm2 (1 daN/cm2 = 105 Pa) vitesse du plateau 30 tours/mn vitesse de tête 30 tours/mn température 20 C débit d'abrasif 250 cm3/mn tissu IC 1400 K avec sillons de Rodel Products On a alors procédé aux trois types de test suivants: a) Test de vitesse d'attaque de couche de cuivre par la composition polissante. La vitesse d'attaque a été mesurée par la différence d'épaisseur avant et après polissage par minute de polissage sur la plaque de cuivre. La vitesse
d'attaque est exprimée en À/min.
b) Test d'uniformité d'attaque de polissage (U) L'uniformité d'attaque a été déterminée à partir de la différence d'épaisseur du cuivre en différents points d'une même plaque. Elle est calculée à partir des mesures du cuivre sur une même plaque avant et après polissage, suivant la formule suivante: epaisseur maxi - epaisseur mini U =------------ x 100 2 x épaisseur moyenne enlevée Dans cette formule, l'épaisseur maxi et l'épaisseur mini sont déterminées par la mesure de l'épaisseur en 49 points différents de la couche de cuivre, après traitement de celle-ci. L'épaisseur maxi correspond à l'épaisseur mesurée la plus élevée, l'épaisseur mini correspond à l'épaisseur mesurée la plus faible. L'épaisseur moyenne enlevée est la différence entre l'épaisseur moyenne avant polissage et l'épaisseur moyenne après polissage,
ces moyennes étant calculées à partir de la mesure sur 49 points.
c) Test d'observation visuelle au microscope optique pour détecter les rayures
éventuelles sur la plaque et en grandeur.
EXEMPLE 1
On a procédé au polissage d'une couche de cuivre posée sur une plaquette dans les conditions mentionnées ci-dessus au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension aqueuse de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, dont les caractéristiques sont les suivantes: pH de la suspension aqueuse 2,5 diamètre moyen des particules de silice colloïdale 35 nm concentration pondérale en silice colloïdale 30% Cette composition polissante a permis d'obtenir les résultats suivants: - une vitesse de polissage de 1800 À/mn - un pourcentage de l'uniformité de 8%
- pas de rayures observées au microscope optique.
EXEMPLE 2
Dans les mêmes conditions que précédemment on a procédé au polissage d'une couche de cuivre au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension aqueuse de silice colloïdale dont les caractéristiques sont: pH de la suspension aqueuse 2,5 diamètre moyen des particules de silice colloïdale 50 nm concentration pondérale en silice colloïdale 30% Les résultats obtenus sont les suivants: - une vitesse de polissage de 800 À/mn - un pourcentage d'uniformité de 11%
- quelques légères rayures observées au microscope optique.
EXEMPLE 3 (COMPARATIF)
Dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1, on a procédé au polissage d'une couche de cuivre au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension aqueuse de silice colloïdale dont les caractéristiques sont les suivantes: pH de la suspension aqueuse 11 diamètre moyen des particules de silice colloïdale 50 nm concentration pondérale en silice colloïdale 30% Le pH de la solution aqueuse a été ajusté à la valeur désirée au
moyen d'ammoniaque.
Les résultats obtenus sont les suivants - une vitesse de polissage de 700./mn - un pourcentage d'uniformité de 40%
- une multitude de rayures fines visibles à l'oeil nu.
Les compositions polissantes mises en oeuvre dans les exemples 1 à 3 ne comportaient ni agent oxydant, ni d'acide organique complexant ou
non du cuivre. Elles ne comportaient pas non plus d'agent tensioactif.
Les compositions polissantes conforme à l'invention ont permis
l'élimination homogène et régulière du cuivre, en évitant l'apparition de rayures.
Avec ces compositions polissantes, on a constaté ni phénomène de dishing, ni
phénomène d'érosion.
Au contraire, la composition polissante de l'exemple comparatif 3, dont le pH est basique, ne conduit pas à un polissage uniforme de la couche de cuivre. Les difficultés à surpolir de façon importante cette couche de cuivre afin de s'assurer de l'absence de résidus de cuivre sur les zones hautes du diélectrique ont pour conséquence d'augmenter le phénomène de dishing des
lignes de cuivre ainsi qu'à une érosion du diélectrique.
Ces exemples montrent qu'une composition polissante comprenant une suspension aqueuse de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, de diamètre compris entre 10 et 100 nm, plus particulièrement entre 25 et 50 nm, et qui, simultanément, présente un pH inférieur à 5, permet un polissage de couches en un matériau à base de cuivre, de bonne qualité. La combinaison de ces facteurs permet d'obtenir un bon compromis entre la vitesse de polissage, le pourcentage d'uniformité et un état satisfaisant de la plaquette de cuivre traitée permettant notamment la réalisation de lignes d'interconnexion en un matériau
à base de cuivre dans les circuits intégrés.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Procédé de polissage mécano-chimique d'une couche en un
matériau à base de cuivre utilisée dans l'industrie électronique des semi-
conducteurs comme matériau constituant des lignes d'interconnexion des circuits intégrés, caractérisé en ce que ladite composition polissante comprend une suspension aqueuse de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, dont le diamètre moyen des particules élémentaires est compris entre 10 et 100 nm, le pH de la suspension
aqueuse étant compris entre 1 et 5.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pH
est compris entre 2 et 3,5.
3. Procédé selon les revendications 1 a 2, caractérisé en ce que
le diamètre moyen des particules de silice colloïdale est compris entre 25 et
50 nm.
4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que
le diamètre moyen des particules élémentaire de silice colloïdale est d'environ nm.
5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que
les particules de silice colloïdale sont monodisperses.
6. Procédé selon les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que
la suspension comprend plus de 20% en poids de particules de silice colloïdale, de préférence de 30 à 40 % en poids de particules de silice colloïdale.
7. Procédé selon les revendications 1 à 6, caractérisé en ce que
le matériau à base de cuivre est constitué de cuivre élémentaire.
8. Procédé selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que
le matériau à base de cuivre est un alliage de cuivre choisi dans le groupe
constitué par les alliages de Cu-Si, Cu-AI, Cu-Si-AI et Cu-Ag.
9. procédé de fabrication de lignes d'interconnexion en un matériau à base de cuivre dans des circuits intégrés selon lequel on réalise les étapes suivantes: - on dépose sur un substrat une couche dielectrique à base d'oxyde de silicium, - on grave à la surface de la couche diélectrique les tranchées d'un circuit d'interconnexion, - le cas échéant, on dépose sur la couche diélectrique une barrière de diffusion, - on dépose sur la couche diélectrique ou, le cas échéant, sur la barrière de diffusion, une couche d'un matériau à base de cuivre, - on polit par polissage mécano-chimique la couche de matériau à base de cuivre, ce procédé étant caractérisé en ce que le polissage mécano- chimique du matériau à base de cuivre est réalisé au moyen d'une composition polissante comprenant une suspension de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, les dites particules présentant un diamètre moyen compris entre 10 et 100 nm, et le pH de la suspension
aqueuse étant compris entre 1 et 5.
10. Utilisation d'une composition polissante comprenant une suspension de particules de silice colloïdale individualisées, non liées entre elles par des liaisons siloxanes, lesdites particules présentant un diamètre moyen des particules élémentaires compris entre 10 et 100 nm, et le pH de la suspension aqueuse étant compris entre 1 et 5, pour le polissage d'un matériau
à base de cuivre.
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