FR3079963A1 - Procede de gravure d'une ou de plusieurs couches mixtes de metal et de dielectrique d'un dispositif semi-conducteur - Google Patents

Procede de gravure d'une ou de plusieurs couches mixtes de metal et de dielectrique d'un dispositif semi-conducteur Download PDF

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Abstract

Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend : le fait de délimiter la surface sur le dispositif semi-conducteur à graver, la zone comprenant au moins plusieurs couches mixtes composées de métal et de diélectrique se trouvant ensemble dans le dispositif semi-conducteur ; le fait de diriger le premier agent de gravure vers la zone délimitée sur le dispositif semi-conducteur le premier agent de gravure contenant les éléments oxydants et réducteurs dans une proportion adéquat pour que le nombre d'éléments d'oxydation soit supérieur d'une unité par rapport au nombre d'éléments réducteurs ; et le fait de diriger le faisceau d'ions vers la zone délimitée sur le dispositif semi-conducteur en présence du premier agent de gravure pour enlever au moins une partie de la couche mixte de métal et de diélectrique et former un évidement avec au moins une surface sensiblement lisse et plane dans la zone d'abrasion de l'objet.

Description

La présente invention concerne un procédé de gravure d'une ou de plusieurs couches mixtes de métal et de diélectrique d'un dispositif semi-conducteur.
La gravure est une technique bien connue dans l'industrie des semi-conducteurs utilisée pour retirer certains matériaux des dispositifs semi-conducteurs. L'objectif de cette gravure est d'étendre l'accessibilité aux zones intéressantes situées sous la surface. Le processus de gravure peut avoir deux modes. Le premier mode consiste dans ce que l'on appelle une gravure ou traitement superficiel qui consiste en l’élimination des couches fines, couche par couche, jusqu'à la matrice du dispositif semi-conducteur. Le deuxième mode est appelé gravure transversale et forme une section transversale du dispositif semi-conducteur permettant d’observer plusieurs couches simultanément. La gravure est une technique couramment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs ainsi que dans les instituts de recherche et les universités pour les analyses de matériaux. La gravure à l’échelle industrielle peut être réalisée au moyen d’ions réactifs, d’attaque chimique par voie humide ou par gravure mécanique comme le polissage ou la découpe. Parmi ces techniques, la gravure mécanique est la technique la plus couramment utilisée pour les grandes surfaces afin d'éliminer les métaux et les diélectriques mélangés ou non. La gravure mécanique aussi nommée polissage est très abrasive et est souvent accompagnée de la formation d'une substance boueuse entre les couches du dispositif et nécessitant donc des procédures de nettoyage supplémentaires. Les surfaces obtenues par gravure mécanique sont généralement des surfaces irrégulières avec un gradient apparent sur la surface et une mauvaise fiabilité du point de vue de la localisation des petites structures. Avec la miniaturisation et l’utilisation de matériaux de plus en plus sensibles, ces défauts engendrés par les étapes de préparation classique provoquent des erreurs de localisation, de nanoprobing, de mesures C-AFM, de modifications du circuit ou de tous autres tests électriques.
La gravure mécanique peut être remplacée par des outils beaucoup plus précis, tels qu'un dispositif à faisceau d'ions focalisés ou un dispositif à faisceau d'ions larges capables d'effectuer la gravure de manière beaucoup plus localisée. La zone adjacente proche reste presque intacte ou l'effet engendré par le faisceau ne dépasse pas quelques micromètres. Le dispositif à faisceau d'ions génère un flux d'ions focalisés avec une grande précision sur une zone présélectionnée pour éjecter les atomes de l'échantillon par impact. Pendant le balayage sur une zone donnée, le faisceau d'ions (Fl) modifie l'échantillon de diverses manières, en fonction de l'énergie des ions incidents. Le dispositif à faisceau d'ions utilise différents ions allant de He au Xe, généralement différenciés selon leur masse molaire et donc de leurs interactions avec la surface cible.
Le processus d'élimination de la matière est contrôlé et peut être facilement surveillée numériquement grâce à la collecte de différents signaux liés aux interactions lons/surface en utilisant différents détecteurs dans le système FIB-SEM. Avec l’élargissement du nombre d'applications des systèmes FIB-SEM, les techniques de gravure assistée par gaz (GAE) sont maintenant largement utilisées.
La géométrie labyrinthe lié à l’intrication des lignes métalliques conductrices traversant le matériau diélectrique dans le dispositif semi-conducteur assemblé en trois dimensions, rend la gravure superficielle et la gravure transversale plus difficiles dans le cas où seule le FIB est utilisé. Les interactions F IB avec la surface d'échantillon sont variées et dépendent de la composition et/ou de la cristallinité de la surface cible. Ceci conduit à devoir déterminer préalablement le taux de gravure pour chaque matériau en fonction d’une série de conditions FIB. Ces interactions peuvent être modifiées lorsque les molécules de réaction introduisent un précurseur sous la forme de gaz ou de vapeur, à l'aide du Système d'injection de Gaz (GIS en anglais) près de la zone de travail. Le principe de base de cette méthode consiste dans l'introduction d'un gaz contenant un précurseur chimique approprié du composé requis dans la chambre sous vide. Au cours de l'injection du précurseur adapté dans la chambre lors de la gravure il est possible de contrôler la gravure de deux ou plusieurs matériaux différents et de graver de façon uniforme une surface mixte conduisant à une planéité suffisante à l’analyse souhaitée.
Deux réactions principales peuvent généralement être observées lors de l'introduction de gaz à proximité de la surface de l'échantillon : modification de la surface par gravure et la déposition d’une couche d’un composé. La gravure assistée par gaz peut être utilisée soit pour modifier à l’aide du faisceau d’ions le comportement de gravure de certains matériaux soit par décomposition et redéposition d’un élément lourd et non volatile de former une couche sur la surface cible. Celui-ci peut, avec le gaz réactif sous l'action du faisceau, aider à augmenter ou à diminuer le taux de gravure de certains matériaux en favorisant ou bloquant des réactions chimiques localisées. D'une part, avec la formation d'espèces volatiles, la vitesse de gravure augmente et peu de rédéposition est observée. D'autre part, des couches plus dures peuvent également être créées en déposant les particules provenant de la dissociation du précurseur exposé au faisceau d’ions sur la surface et la vitesse de gravure est en même temps localement réduite. Ces études des vitesses de gravure avec ou sans gaz sont utilisées pour effectuer permettre de favoriser la gravure d’un composé par rapport à un autre ou bien d’enlever cette sélectivité du faisceau d’ions sur une surface mixte comme par exemple sur les dispositifs semi-conducteurs. Avec un agent de gravure réactif, la gravure par faisceau d'ions peut ainsi être augmentée ou diminuée en fonctions des réactions chimiques localement activées par le faisceau primaire.
Le document US6900137 utilise XeF2 pour graver simultanément des couches composées d’un matériau diélectrique organique et de métaux de manière contrôlée en en jouant sur le paramètre de rafraîchissement d’un cycle de balayage de la FIB.
Le document US7008803 utilise la gravure assistée par gaz avec un détecteur d’électrons émis à position variable pour déterminer le temps de rafraîchissement sur chaque point gravure et ainsi observer le passage d’une couche à la suivante et ainsi avoir une bonne localisation en direct de la gravure d’une couche.
Dans la demande de brevet 2013/0118896, la FIB est utilisé pour éliminer de manière homogène un enchevêtrement de différents matériaux en utilisant un porteéchantillon rotatif et en ajustant les conditions de fonctionnement de la FIB au cours du procédé. Cette méthode nécessite un contrôle précis du taux de gravure de chaque matériau présent sur la surface de l'échantillon et le nombre de paramètres à contrôler lors de l’opération. Elle nécessite la création de schémas des circuits pour chaque échantillon en utilisant les données obtenues de la surface de chaque couche enlevée.
Le brevet n°9064811 décrit un groupe d'agents de gravure utilisés sous faisceau FIB qui vont engendrer le même taux de gravure de tous les matériaux présents en ralentissant le taux de gravure du diélectrique par rapport aux composés métalliques. Ces précurseurs sont choisis dans le groupe composé des molécules d'acétate/nitro acétate et d'hydrocarbures à chaîne courte. Le brevet spécifie comme agents réactifs les molécules suivantes : l'acétate de méthyle, l'acétate d'éthyle, le nitroacétate d'éthyle, l'acétate de propyle, le propylnitroacétate, l'acétate de nitro-éthyle, le méthylméthoxyacétate ou le chlorure de méthoxy-acétyle.
L'industrie des semi-conducteurs se développe à un rythme très rapide et de nouveaux challenges surgissent chaque jour. Les matériaux utilisés changent, les architectures deviennent de plus en plus complexes avec un besoin constant de miniaturisation supplémentaire pour augmenter le nombre de transistors dans des zones plus restreintes. La réduction de leur taille a exponentiellement changé la densité condensée des circuits. Bien que les citations mentionnées décrivent différents procédés de fabrication d'une surface plane en utilisant un dispositif avec un faisceau d'ions, il existe une grande variété d'agents de gravure qui peuvent être utilisés pour la gravure superficielle et d’autant plus quand on voit l'augmentation du nombre de matériaux formant les dispositifs semi-conducteurs de nouvelle génération, ainsi que l'architecture utilisée pour les circuits. Beaucoup d'entre eux peuvent convenir pour la gravure d’une combinaison spécifique d’un mélange métal-diélectrique donnée et sont plus efficaces que l'utilisation seule de la FIB comparativement à d'autres combinaisons tout en évitant les effets secondaires indésirables tels que les redépôts des sous-produits du gaz.
Certains d'entre eux peuvent être gravés par les méthodes assistées par gaz existantes. II est plus efficace d'avoir différents précurseurs en fonction des matériaux à graver pour choisir celui qui présentera la meilleure performance de gravure non sélective d’un enchevêtrement de différents matériaux.
Principe de l'invention
Le procédé de gravure d'une ou de plusieurs couches mixtes de métal et de diélectrique à partir d'une zone sur un dispositif semi-conducteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend :
le fait de délimiter la surface sur le dispositif semi-conducteur à graver, la zone comprenant au moins plusieurs couches mixtes composées de métal et de diélectrique se trouvant ensemble dans le dispositif semi-conducteur ;
le fait de diriger le premier agent de gravure vers la zone délimitée sur le dispositif semi-conducteur le premier agent de gravure contenant les éléments oxydants et réducteurs dans une proportion adéquat pour que le nombre d'éléments d'oxydation soit supérieur d'une unité par rapport au nombre d'éléments réducteurs ; et le fait de diriger le faisceau d'ions vers la zone délimitée sur le dispositif semiconducteur en présence du premier agent de gravure pour enlever au moins une partie de la couche mixte de métal et de diélectrique et former un évidement avec au moins une surface sensiblement lisse et plane dans la zone d'abrasion de l'objet.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins le nombre d'éléments réducteurs dans le premier agent de gravure est au maximum de trois.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le nombre d'éléments d'oxydation dans le premier agent de gravure est de trois.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier agent de gravure est choisi dans le groupe composé de : acétate d'ammonium, chloro-acétamide, fluoracétamide, carbamate de méthyle et N-nitrosodiéthylamine.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le second agent de gravure est dirigé vers la zone délimitée sur le dispositif semi-conducteur et le second agent de gravure contient les éléments oxydants et le nombre de ces éléments oxydants dans le second agent de gravure est d’au moins un.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le second agent de gravure contient les éléments réducteurs et le nombre d'éléments oxydants soustrait au nombre d'éléments réducteurs est égal un chiffre situé entre moins un et trois.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le second agent de gravure est choisi dans le groupe composé de : acide acétique, formiate d'éthyle, bicarbonate d'ammonium, acétate d'hydrazine, imidodicarbonate de diéthyle et l’eau.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la gravure de la zone délimitée du dispositif semi-conducteur avec au moins le premier agent de gravure se fait en deux étapes, l'une des étapes consistant à graver au moins une partie de la couche mixte métal/diélectrique avec une première énergie du faisceau et la seconde gravure plus légère d'au moins une partie de la couche mixte métal/diélectrique, gravée à l'origine avec une première énergie de faisceau, s'effectuant en utilisant une seconde énergie du faisceau plus faible que la première.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la gravure légère est utilisée pour graver au moins une partie des couches à haute densité de métal du M1 sur la couche de contact du transistor.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le diélectrique dans le dispositif semiconducteur est un diélectrique à faible constante k.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le diélectrique dans le dispositif semiconducteur comprend au moins un des matériaux suivants : SixNy, SixOy, GaAs ou GaN
Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface sensiblement plane est parallèle aux couches métalliques ou diélectriques du dispositif semi-conducteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, la surface sensiblement plane est décalée vers les couches métalliques ou diélectriques du dispositif semi-conducteur dans une plage allant de 10° à 170°.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le faisceau d'ions est un faisceau d'ions focalisés.
Le procédé décrit ci-dessous utilise des précurseurs sélectionnés pour éliminer les matériaux constitutifs d’un semi-conducteur en partant des couches de cuivre épaisses directement exposées après décapsulation jusqu’aux couches de cuivre très minces et denses situées juste au-dessus de la couche de contact des transistors (TCL). Au cours de la gravure, il est nécessaire que le taux de gravure des différents matériaux soit identique pour contrôler que le processus de gravure se fasse couche par couche. Ainsi, le précurseur sélectionné doit contenir une quantité suffisante d'éléments d'oxydants pour ajuster le taux de gravure du métal mais également un nombre suffisant d'éléments de réducteurs pour ajuster le taux de gravure du diélectrique à des niveaux tels que les différents matériaux soient gravés à peu près à la même vitesse.
La présence d'un faisceau d'ions (IB) à très grande énergie comme par exemple un faisceau d'ions focalisés ou un faisceau large avec une énergie du faisceau d'au moins 5 kV, associée à un précurseur et à un échantillon semi-conducteur, va créer par interaction des trois éléments des composés par rupture et recombinaison des liaisons inter-élémentaires des différents composés dans la zone de travail et en particulier dans la zone balayée par le faisceau d'ions. La surface active du faisceau d'ions est la zone se trouvant le long de la trajectoire du faisceau d'ions et dans la zone où le faisceau d'ions atteint la surface du dispositif semi-conducteur. Ces éléments réactifs, associés à une grande quantité d'électrons qui résultent des interactions du faisceau d'ions, soit avec la surface d'échantillon, soit avec le précurseur adsorbé, peuvent réagir et former des molécules supplémentaires. Pour favoriser la gravure d’une surface, il est nécessaire d’introduire des éléments dans la zone ciblée qui vont pouvoir réagir grâce à l’énergie apportée par le faisceau et former un nouveau composé volatil. Pour créer ce composé volatil et ainsi favoriser la gravure d’un élément sélectionné, le GIS doit apporter un précurseur pur ou une combinaison de molécules contenant les éléments nécessaires à la formation d’une molécule facilement pompée par le système sous vide. Afin de mieux contrôler l'abrasion simultanée de plusieurs matériaux contenant du métal et du diélectrique, il faut trouver une combinaison appropriée entre les éléments présents à la surface de l’échantillon et les éléments introduits par le GIS et ainsi permettre les réactions de surface souhaitées. Les éléments incorporés par le GIS nécessaires à la création des molécules volatiles peuvent contenir du carbone (C), de l'oxygène (O), des éléments halogènes tels que le fluor (F) et le chlore (Cl) et l'azote (N). La gravure d’éléments métalliques constitutifs du dispositif semi-conducteur doit être évaluée en même temps que la gravure du diélectrique afin d’obtenir la plus faible rugosité de surface de chaque couche. Le composé diélectrique est généralement constitué de plusieurs éléments. Les diélectriques les plus courants sont à base de SiOx et de SixNy. Jusqu'à présent, le carbone a été ajouté à ces bases silicium pour former des diélectriques à faible constante de permittivité k tels que les substrats potentiels de matériaux à base de GaAs ou de GaN. Le métal utilisé dans le dispositif semi-conducteur peut être le cuivre (Cu), le cobalt (Co), l'aluminium (Al), le tungstène (W) et le tantale (Ta). Après l’éjection de l'échantillon par interactions du faisceau d'ions avec le diélectrique, la quantité de molécules réactives liées à l'abrasion du diélectrique augmente. Sans la présence de molécules injectées à l’aide d’un GIS, comme pour la gravure de métaux (tel que décrit ci-dessus), il est difficile de contrôler le degré d'abrasion de chaque constituant. Afin d'obtenir un taux de gravure idéal et contrôlée avec un ratio d'environ 1:1 entre tous les éléments constitutifs de l'échantillon choisi, il faut prendre en compte la vitesse de gravure de tous les matériaux présents avec et sans précurseurs injectés. Le précurseur pur ou composé d’un mélange de compositions doit contenir des éléments oxydants présents dans une ou plusieurs fonctions chimiques utilisant de l'azote, de l'oxygène, des halogènes (F, Cl) et/ou un élément réducteur de préférence sous la forme de carbone. L'azote est nécessaire pour la production des molécules volatiles azote-métal tel que le nitrate de cuivre. Les halogènes sont nécessaires à la fabrication d'halogénures métalliques ou d'halogénures de silicium. L'oxygène peut être utilisé pour la production de molécules volatiles de type COx avec le carbone contenu dans le diélectrique à faible k. La formation de molécules volatiles favorisera leur évacuation de la chambre par pompage réduisant ainsi le re-dépôt des sous-produits générés par la gravure en utilisant un faisceau d'ions.
Le ratio de tous ces éléments injectés doit être contrôlé en tenant compte de la composition de l'échantillon de manière à atteindre un niveau d'uniformité de surface et de rugosité de la couche finale de seulement quelques nanomètres. Les composés chimiques en accord avec l'invention sont des précurseurs choisis contenant les fonctions chimiques -COO-, -CON- ou -CNN- en combinaison avec d'autres éléments en fonction du rapport oxydants/réducteurs (o/r) requis. La gravure en accord avec l'invention peut être une gravure planaire dans laquelle la surface gravée par le faisceau d'ions est parallèle aux couches métalliques ou diélectriques du dispositif semi-conducteur, ou une gravure transversale dans laquelle la surface plane est située selon un angle allant de 10° à 170° par rapport aux couches métalliques ou diélectriques.
Suivant cette approche de gravure de matériaux différents tels qu’un métal et un diélectrique, la quantité d'éléments oxydants (o) et de réducteurs (r) présents dans le précurseur à injecter devrait être équilibrée. Le meilleur ratio pour la gravure de matériaux différents et présents dans la même couche est déterminé de manière suivante : [o = r + 1], préférablement 3 éléments oxydants et 2 éléments réducteurs pour les combinaisons diélectriques/métaux les plus couramment observée tels que le mélange dioxyde de silicium/cuivre. Avec le nombre croissant d'éléments réducteurs le précurseur, il est difficile de prédire la quantité de fonctions réactives et d'assurer leur volatilisation dans la chambre de travail. Le nombre d'éléments réducteurs contenus dans le précurseur assurant cette fonction peut aller jusqu'à 3 mais des précurseurs avec un nombre d'éléments réducteurs plus élevé peuvent également avoir les propriétés souhaitées. Les éléments réducteurs dans le précurseur doivent être du C, et les éléments oxydants doivent être choisis dans le groupe composés F, Cl, O et N. Préférablement, le précurseur peut contenir un composé chimique choisi dans le groupe : acétate d'ammonium, chloro-acétamide, fluoro-acétamide, carbamate de méthyle, N-nitrosodiethylamin.
D’un autre coté, en accord avec l'invention, la gravure du dispositif semiconducteur peut générer par interaction entre le faisceau d’ions et le dispositif semiconducteur, une grande quantité d'éléments oxydants et réducteurs dans la chambre de travail. Ces éléments oxydants et réducteurs dits secondaires peuvent contribuer de manière significative au processus de gravure et, en tant que tels, influer sur la quantité totale d'éléments oxydants et réducteurs devant être introduits au cours de la gravure au moyen du GIS. Si le nombre d'éléments secondaires est suffisamment élevée pour provoquer un éloignement par rapport au ratio préférentiellement souhaité affectant donc le processus de gravure et/ou présentant une tendance à une graver préférentiellement un des éléments constitutifs du dispositif semi-conducteur, il est alors nécessaire de modifier la composition du précurseur, qu’il soit pur ou composé d’un mélange de molécules. Au cours du processus de gravure, un bon compromis des ratios entre les éléments oxydants et réducteur a été trouvé entre [o-r = -1] et [o-r = 3], Par exemple, si la gravure du cuivre est plus rapide que celle du diélectrique adjacent, il sera nécessaire d'inclure plus d'éléments réducteurs au précurseur pur ou au mélange de composés. De même, si la gravure du diélectrique est plus rapide que celle du cuivre, il faudra inclure plus d'éléments oxydants au précurseur pur ou au mélange de composés. Un ratio de gravure inadéquat peut être modifié par l’ajout d’une ou de plusieurs autres molécules contenant un des composés suivants : acide acétique, formiate d'éthyle, bicarbonate d'ammonium, acétate d'hydrazine, imidodicarbonate de diéthyle, oxalate d'ammonium et eau. Le procédé de gravure peut être suivi en direct ou à des intervalles choisis grâce au dispositif SEM ou FIB équipés de manière appropriée et grâce à des détecteurs situés dans la chambre.
Dans le cadre d’une utilisation avantageuse, le précurseur ou mélange de précurseurs comprend au moins une première molécule choisie parmi les composés suivants : acétate d'ammonium, chloro-acétamide, fluoro-acétamide, carbamate de méthyle, le N-nitrosodiethylamine et/ou au moins une seconde molécule choisie parmi les composés suivants : acide acétique, formiate d'éthyle, bicarbonate d'ammonium, acétate d'hydrazine, imidodicarbonate de diéthyle et eau.
Dans un autre cadre d’utilisation de l'invention, le précurseur contient la structure de base R-CO-R. R étant dans la formule une fonction contenant un quelconque élément qui, en plus de sa composition propre, répond aux conditions du ratio entre les éléments oxydants et réducteurs. La fonction chimique R-CO-R comprend une forte double liaison covalente C=O et d'autres liaisons inter-élémentaires, par exemple C-H, C-C, C-NH2, qui ont une énergie de liaison inférieure à une double liaison covalente C=O. Les molécules peuvent être fragmentées en phase gazeuse à haute énergie par dissociation induite par collision (CID en anglais). Dans une CID typique, les ions incidents sont accélérés vers des valeurs d’énergies cinétiques élevées à l’aide d’un potentiel électrique et qui vont entrer en collision avec des molécules neutres (souvent hélium, azote ou argon). En accord avec l'invention, les molécules d'un précurseur neutre sont mises à proximité de la surface d’un échantillon qui est exposé au bombardement du faisceau d'ions accéléré. L'énergie de la collision génère une multitude d’électrons secondaires qui vont être assimilés à une énergie qui conduit à la rupture de liaisons et à la fragmentation du précurseur en fragments plus petits. La quantité d’électrons émis augmente typiquement avec l'énergie cinétique des ions incidents et avec leur masse. Lorsque l'énergie du faisceau d'ions est réduite à de faibles énergies (< 5 kV), la quantité d’électrons secondaires diminue et les molécules volatiles telles que les molécules C-0 de l’agent de gravure peuvent se dissocier ou se former dans la chambre de travail. Ces molécules peuvent aussi rester intactes et ne produisent pas de manière significative de réactions de surface. Lorsque la quantité totale d’électrons secondaires émis diminue, le taux de gravure est ralenti. Le ralentissement du taux de gravure, ainsi que la pénétration plus faible de la surface du dispositif semi-conducteur par le faisceau d’ions incident, peuvent entraîner une légère gravure de la surface de l'échantillon sans nécessité de modifier la composition de gravure, la concentration ou la pression d'injection. Les appareils à faisceau d'ions moderne sont capables de changer rapidement l'énergie du faisceau incident, et par conséquent, il est possible d'alterner rapidement entre la gravure de matériaux à vitesse rapide ou de réduire cette vitesse. Ceci est avantageux pour l'élimination combinée des couches métalliques épaisses supérieures des dispositifs semiconducteurs et des couches métalliques inférieures de grande densité des dispositifs semi-conducteurs et ainsi d’avoir un meilleur contrôle grâce au moyen de détection que lorsque le processus de gravure est trop rapide.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Pour une meilleure compréhension de la présente invention et de ses avantages, les descriptions suivantes sont indiquées en association avec les figures annexées comme suit :
Fig. 1 est une illustration schématique d'un dispositif avantageux en accord avec l'invention,
Fig. 2 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de l’architecture d’un dispositif semi-conducteur typique,
Fig. 3 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de dispositif semi-conducteur après gravure de sa surface,
Fig. 4 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de dispositif semi-conducteur après la gravure transversale,
Fig. 5 est une vue en coupe illustrant schématiquement un détail d'une partie de dispositif semi-conducteur exposé à un faisceau d'ions inactif,
Fig. 6 est une vue en coupe illustrant schématiquement un détail d'une partie de dispositif semi-conducteur exposé à un faisceau d'ions actif à haute énergie,
Fig. 7 est une vue en coupe illustrant schématiquement un détail d'une partie de dispositif semi-conducteur exposé à un faisceau d'ions à haute énergie actif lors du balayage,
Fig. 8 est une vue en coupe illustrant schématiquement un détail d'une partie de dispositif semi-conducteur après une gravure assistée par gaz de mauvaise qualité.
Fig. 9 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de dispositif semi-conducteur après une gravure réussie en utilisant une combinaison de plusieurs précurseurs lors du procédé.
Fig. 10 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de dispositif semi-conducteur avec le faisceau d'ions actif à faible énergie,
Fig. 11 est une vue en coupe illustrant schématiquement une partie de dispositif semi-conducteur avec le faisceau d'ions actif à faible énergie lors d'un balayage.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES MODES DE RÉALISATION
Le principe de l'invention est un procédé de gravure superficielle ou transversale qui consiste à enlever plusieurs couches de matériaux tels que des métaux et des diélectriques afin d’exposer une couche donnée ou une coupe à travers plusieurs couches afin de pouvoir y exécuter les applications diverses comme, mais non limité à, du nanoprobing, l'édition des circuits et l'analyse de défaillances.
Le principe le plus avantageux de la présente invention concerne un procédé utilisé pour graver des matériaux différents utilisés dans la fabrication de dispositifs semi-conducteurs. L'utilisation de la technique et du dispositif peut être dédoublée pour obtenir une gravure régulière et plane de tous les matériaux tels que le cuivre, le diélectrique à faible constante k, les GaAs et GaN et autres. Le procédé est souple et peut être adapté en tant que procédé autonome ou utilisé en combinaison avec d'autres procédés afin d’augmenter la productivité du procédé de gravure ou des techniques rapides d'analyse par sonde.
La figure 1 est une vue schématique d'un appareil 100 pour la gravure d'un dispositif semi-conducteur 2. L'appareil comprend une chambre à vide 1 dans laquelle le dispositif semi-conducteur 2 est placé sur un support 3. L'appareil comprend en outre le moyen 4 pour générer le faisceau d'ions et propager le faisceau d'ions le long de l'axe optique 5 vers le dispositif semi-conducteur 2. Le faisceau d'ions peut utiliser différents ions allant d'ions légers Li aux ions relativement lourds Xe. L'appareil 100 peut comprendre également un SEM 6 pour générer et propager des électrons le long de l'axe optique du SEM 7. L'axe optique du SEM 7 est orienté approximativement sur la même zone de l'objet que l'axe optique du faisceau d'ions 5. Les électrons dispersés dans l'échantillon ou les électrons générés par l'objet pour interagir avec les électrons
SEM 6 sont utilisés pour le suivi du processus de gravure sur la surface du dispositif semi-conducteur 2. L'appareil 100 comprend également un système d'injection de gaz 8 pour propager les molécules de gaz de l'agent de gravure 9 vers le dispositif semiconducteur 2.
La figure 2 représente une vue en coupe du dispositif semi-conducteur 2. Le dispositif semi-conducteur 2 est constitué de plusieurs couches. Sur la partie supérieure du dispositif semi-conducteur 2 se trouve une couche de couverture 10. Le dispositif semi-conducteur 2 comprend également des couches métalliques 11 désignées MO à M8. Chaque couche métallique 11 comprend des conducteurs métalliques 13 (traversant la couche métallique 11) et les diélectriques 14 à constante k faible. Les couches 12 désignées V7 à VCL relient le conducteur métallique 13 d'une couche métallique 11 via les conducteurs de connexion 15 au conducteur métallique 13 dans une autre couche métallique 11 et sont situées entre les couches métalliques
11. Les conducteurs de connexion 15 sont séparés à l'intérieur de la couche 12 par les diélectriques 14.
La figure 3 montre le résultat d'une gravure superficielle réussie utilisant le processus de gravure favorisée par un gaz en accord avec l'invention. Une partie des couches métalliques 11 de M8 à M1 et à travers les couches 12 de V7 à V0 est éliminée dans une zone délimitée et une surface lisse 16 est formée sur la couche métallique 11 MO. Les couches métalliques 11 à proximité du boîtier plan gravé délimité par la surface plane lisse 16 et les parois 17 du boîtier sont intactes. Les dimensions de la surface plane sont 100 x 100 micromètres. En raison du processus de gravure propre et lisse, les conducteurs métalliques 13 de la couche métallique 11 MO sont accessibles pour l'observation et l'analyse. L'enlèvement des couches métalliques 11 et de la couche 12 est un procédé couche par couche et toutes les couches métalliques 11 ou la couche 12 peuvent être préparées pour l'observation et l'analyse selon cette invention en balayant la surface du dispositif semi-conducteur 2 avec un faisceau d'ions.
La figure 4 illustre le résultat d'une gravure transversale réussie en utilisant la gravure favorisée par le gaz en accord avec l'invention. En comparaison avec la figure 3, la gravure transversale permet d'observer ou d'analyser la surface de la section transversale 18 qui est un plan traversant plus d'une couche métallique 11. La gravure favorisée par un gaz en accord avec l'invention permet une gravure des différents matériaux tels que les conducteurs métalliques 13, le diélectrique 14 et les conducteurs de connexion 15 ayant le même taux de gravure et l'effet rideau est ainsi minimisé.
La figure 5 est une coupe transversale détaillée d'une couche métallique 11 du dispositif semi-conducteur 2 à graver comprenant le diélectrique 14 et les éléments oxydants 19 et réducteurs 20 ainsi que le conducteur métallique 13 contenant les éléments métalliques 21. La zone active 22 du faisceau d'ions est une zone où les éléments gravés sont libérés en premier et où les molécules de l'agent de gravure 23 entrent en contact avec la zone active 22 du faisceau d'ions. La figure 5 montre la situation avec un faisceau d'ions inactif ce qui signifie que dans la zone active 22 les ions à haute énergie ne sont pas présents. L'agent de gravure 23 contient les éléments oxydants 19 et réducteurs 20 dans une zone située près de la surface du dispositif semi-conducteur. La couche du dispositif semi-conducteur contient également des éléments oxydants et réducteurs pouvant intervenir dans la réaction. Dans une utilisation avantageuse de l’invention, le gaz de gravure est le carbamate de méthyle avec un rapport d'éléments réducteur 20 par rapport aux éléments oxydant 19 de 2 :3. Dans d'autres variantes de réalisation, l'acétate d'ammonium, le chloro-acétamide, le fluor-acétamide, la N-nitrosodiéthylamine peuvent être utilisés comme agents de gravure. Les agents de gravure 23 peuvent être utilisés seuls ou en combinaison avec d'autres agents du même groupe ou en combinaison avec au moins un groupe comprenant l'acide acétique, formiate d'éthyle, bicarbonate d'ammonium, acétate d'hydrazine, imidodicarbonate de diéthyle et l’eau.
La figure 6, en comparaison avec la figure 5, illustre la situation où le faisceau d'ions est activé et grave un diélectrique 14 à faible constante k et un conducteur métallique 13 présents dans la couche métallique 11 du dispositif semi-conducteur 2 avec un faisceau d'ions à haute énergie. Le faisceau d'ions possède une énergie d’accélération d'au moins 5 kV mais de préférence supérieure à 10 kV. Les éléments 19, 20, 21 de la couche métallique 11 et les éléments 19, 20 de l'agent de gravure se séparent sous l'action du faisceau d'ions et forment un nuage d'éléments réactifs 19,
20, 21 dans la zone active 22. L'agent de gravure 23 est pompé en continu vers la surface du dispositif semi-conducteur 2 tout au long du processus de gravure, ce qui favorise une gravure uniforme.
La figure 7 illustre le processus de gravure se déroulant sous le faisceau d'ions à haute énergie qui grave une quantité de matériaux plus grande (le diélectrique 14 et le conducteur métallique 13 à la fois). Les éléments (19, 20, 21) de la couche métallique 11 ainsi que de l'agent de gravure 23 peuvent être trouvés sous leur forme initiale ou dissociée dans la zone active 22 du faisceau d'ions. Ces éléments dissociés 19, 20, 21, soit se lient entre eux pour former des molécules volatiles stables 24, 25 formées grâce à la combinaison d'éléments métalliques 21 d'éléments d'oxydation 19, soit les éléments réducteurs 20 et les éléments oxydants 19 sont évacués par pompage en raison de leur volatilité. L'agent de gravure 23 adsorbé sur la surface de la couche métallique 11 ou à proximité de la surface est présent pendant tout le processus de gravure superficielle et entre dans la zone active 22 dans chaque étape de déplacement du faisceau d'ions. Dans un mode d’utilisation préférentiel, la quantité de l'agent de gravure 23 est uniformément répartie sur toute la surface du dispositif semi-conducteur 2. La présence de l'agent de gravure 23 avec une quantité appropriée d'éléments d'oxydation et de réduction est essentielle pour créer les molécules volatiles 24, 25 qui peuvent être évacuées au lieu de se redéposer sur la surface afin de favoriser un taux de gravure 1 :1 entre le conducteur métallique 13 et le diélectrique 14 afin de créer une surface plane lisse 16.
La figure 8 illustre le résultat d'un échec de gravure superficielle propre utilisant une gravure assistée par le gaz d’une couche métallique MO de grande densité. Une partie des couches métalliques 11 de M8 à M1 et à travers les couches 12 de V7 à V0 est éliminée dans une zone délimitée et les surfaces 16a, 16b sont formées dans la couche métallique 11 MO. Le taux de gravure du diélectrique 14 est inférieur à celui du métal 16 dans MO qui est une couche métallique de grande densité et la gravure par faisceau d'ions crée dans cette couche une surface rugueuse. Pour modifier le taux de gravure, il est nécessaire d'utiliser un second agent de gravure 23 pour former un mélange avec le premier agent de gravure 23. Si le taux de gravure du métal 13 est plus élevé que le taux de gravure du diélectrique 14, le second agent de gravure doit être injecté. Dans un mode d’utilisation préférentiel, le gaz de gravure est le carbamate de méthyle où le rapport d'éléments de réduction 20 aux éléments d'oxydation 19 est de 2:3. L'acétate d'ammonium, le chloro-acétamide, le fluor-acétamide, la Nnitrosodiéthylamine peuvent être utilisés comme premiers agents de gravure dans d’autres cas envisageables.
Le nombre d'agents oxydants dans le second agent de gravure est inférieur d'un élément au maximum par rapport au nombre d'éléments réducteurs 20 du le second agent de gravure 23. Si le taux de gravure du métal 13 est inférieur par rapport à celui du diélectrique 14, un second agent de gravure comportant plus d'éléments oxydant 19 doit être injecté.
Le second agent de gravure contient au maximum trois éléments oxydants de plus par rapport au nombre d'éléments réducteurs 20 dans le second agent de gravure 23.
Dans des modes d’utilisation préférentiel, le second agent de gravure peut être choisi dans le groupe composé de : formiate d'éthyle (o-r = -1), imidodicarbonate de diéthyle (o-r = -1), l'acide acétique (o-r = 0), l'acétate d'hydrazine (o-r = 2) ou l'eau (or = 1) ou du bicarbonate d'ammonium (o-r = 3). Le second agent de gravure est injecté dans la chambre jusqu'à ce que le même niveau de surface 16a et 16b soit atteint, comme le montre la figure 9.
La figure 10 est une coupe transversale détaillée de la couche métallique 11 du dispositif semi-conducteur 2 à graver, y compris le diélectrique 14 contenant des éléments oxydant 19 et les éléments réducteur 20, le conducteur métallique 13 contenant des éléments métalliques 21. En comparaison avec la figure 5, l'énergie du faisceau d'ions est faible, inférieure à 5 kV ce qui est insuffisant pour produire assez d’électrons secondaires et ainsi de générer des liaisons stables entre les éléments, et produit moins de fragments fortement réactifs. L'énergie plus faible du faisceau d'ions ne permet pas non plus aux d'ions de pénétrer profondément dans la couche métallique 11. Ceci conduit à un enlèvement de matière de la couche métallique 11 plus lent. Cette caractéristique est particulièrement importante dans les couches de sensibilité élevée du dispositif semi-conducteur 2. Une partie de l'agent de gravure 23 contient les éléments réducteurs 20 et les éléments oxydants 19 contenant dans leur structure les éléments C-0 26 avec une double liaison covalente. L'agent de gravure 23 appliqué sur la surface ne subit pas de dissociation complète et les fragments volatils 27 non dissociés sont pompés hors du système sans réagir avec l'un des éléments diffusés (19, 20, 21) présents dans la zone active 22 du faisceau d'ions.
La figure 11, comparée à la figure 10, illustre une situation dans laquelle le faisceau d'ions est balayé au-dessus de la surface de la couche métallique 11 lors de la gravure du diélectrique 14 à faible constante k et du conducteur métallique 13 présents dans la couche métallique 11 du dispositif semi-conducteur 2 avec un faisceau d'ions à faible énergie. Les fragments volatils 27 non dissociés sont évacués 10 en continu par pompage. D'autre part, les éléments dissociés 19, 20, 21, soit se lient pour former les molécules volatiles 24 stables grâce à la combinaison de métaux des éléments réducteurs 21 et des éléments oxydants 19 ou les éléments réducteurs 20 et oxydants 19 sont évacués du fait de leur nature volatile. La profondeur de gravure avec un faisceau d'ions inférieur à 5kV associé à un agent de gravure est de plusieurs 15 dizaines de nanomètres et la zone fraîchement gravée possède une quantité minimale de redépôt. L'uniformité de la gravure tient toujours et la surface est plane et lisse de rugosité topographique inférieure à 10 nm dans le cas de couches avec une très grande sensibilité telles que les couches de contact de transistor TCL.

Claims (14)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de gravure d'une ou de plusieurs couches mixtes de métal et de diélectrique à partir d'une zone sur un dispositif semi-conducteur, caractérisé en ce qu'il comprend :
    le fait de délimiter la surface sur le dispositif semi-conducteur à graver, la zone comprenant au moins plusieurs couches mixtes composées de métal et de diélectrique se trouvant ensemble dans le dispositif semi-conducteur ;
    le fait de diriger le premier agent de gravure vers la zone délimitée sur le dispositif semi-conducteur le premier agent de gravure contenant les éléments oxydants et réducteurs dans une proportion adéquat pour que le nombre d'éléments d'oxydation soit supérieur d'une unité par rapport au nombre d'éléments réducteurs ; et le fait de diriger le faisceau d'ions vers la zone délimitée sur le dispositif semiconducteur en présence du premier agent de gravure pour enlever au moins une partie de la couche mixte de métal et de diélectrique et former un évidement avec au moins une surface sensiblement lisse et plane dans la zone d'abrasion de l'objet.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins le nombre d'éléments réducteurs dans le premier agent de gravure est au maximum de trois.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le nombre d'éléments d'oxydation dans le premier agent de gravure est de trois.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le premier agent de gravure est choisi dans le groupe composé de : acétate d'ammonium, chloro-acétamide, fluor-acétamide, carbamate de méthyle et N-nitrosodiéthylamine.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second agent de gravure est dirigé vers la zone délimitée sur le dispositif semiconducteur et en ce que le second agent de gravure contient les éléments oxydants et en ce que le nombre de ces éléments oxydants dans le second agent de gravure est d’au moins un.
  6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second agent de gravure contient les éléments réducteurs et en ce que le nombre d'éléments oxydants soustrait au nombre d'éléments réducteurs est égal un chiffre situé entre moins un et trois.
  7. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second agent de gravure est choisi dans le groupe composé de : acide acétique, formiate d'éthyle, bicarbonate d'ammonium, acétate d'hydrazine, imidodicarbonate de diéthyle et l’eau.
  8. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gravure de la zone délimitée du dispositif semi-conducteur avec au moins le premier agent de gravure se fait en deux étapes, l'une des étapes consistant à graver au moins une partie de la couche mixte métal/diélectrique avec une première énergie du faisceau et la seconde gravure plus légère d'au moins une partie de la couche mixte métal/diélectrique, gravée à l'origine avec une première énergie de faisceau, s'effectuant en utilisant une seconde énergie du faisceau plus faible que la première.
  9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la gravure légère est utilisée pour graver au moins une partie des couches à haute densité de métal du M1 sur la couche de contact du transistor.
  10. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le diélectrique dans le dispositif semi-conducteur est un diélectrique à faible constante k.
  11. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le diélectrique dans le dispositif semi-conducteur comprend au moins un des matériaux suivants : SixNy, SixOy, GaAs ou GaN
  12. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la surface sensiblement plane est parallèle aux couches métalliques ou diélectriques du dispositif semi-conducteur.
  13. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la surface sensiblement plane est décalée vers les couches métalliques ou diélectriques du dispositif semi-conducteur dans une plage allant de 10° à 170°.
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le 5 faisceau d'ions est un faisceau d'ions focalisés.
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