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FR2590407A1 - Depot direct de motifs metalliques pour emploi dans des dispositifs a circuits integres - Google Patents

Depot direct de motifs metalliques pour emploi dans des dispositifs a circuits integres Download PDF

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FR2590407A1
FR2590407A1 FR8615921A FR8615921A FR2590407A1 FR 2590407 A1 FR2590407 A1 FR 2590407A1 FR 8615921 A FR8615921 A FR 8615921A FR 8615921 A FR8615921 A FR 8615921A FR 2590407 A1 FR2590407 A1 FR 2590407A1
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Yung Sheng Liu
Christopher Paul Yakymyshyn
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General Electric Co
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General Electric Co
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Abstract

ON EMPLOIE POUR LE DEPOT DIRECT DE MOTIFS EN METAL REFRACTAIRE SUR UN SUBSTRAT 10 DES SOURCES D'ENERGIE THERMIQUE RAYONNANTE 25. DES MOTIFS EN TUNGSTENE METALLIQUE SONT DEPOSES SELECTIVEMENT SUR DES SURFACES EN SILICIUM EN FAISANT APPEL A UNE REACTION EN PHASE VAPEUR PROVOQUEE PAR UNE SOURCE DE RAYONNEMENT TRANSITOIRE. ON PRODUIT DES MOTIFS REGULIERS DE METAL REFRACTAIRE AVEC UNE MEILLEURE RESOLUTION EN DIRIGEANT L'ENERGIE RAYONNANTE PAR L'INTERMEDIAIRE D'UN MASQUE 20 AFIN DE PROVOQUER UN CHAUFFAGE LOCALISE ET CAUSER UNE REDUCTION LOCALISEE D'UN GAZ METALLIQUE REFRACTAIRE PAR LE SILICIUM, PAR EXEMPLE.

Description

La présente invention concerne dans ses grandes lignes un procédé pour déposer directement sur une surface en silicium des motifs de lignes en métal réfractaire, de la taille du micron et, plus particulièrement, elle est relative au dépôt en phase gazeuse provoqué par une énergie rayonnante de métaux réfractaires, tels que le molybdène et le tungstène sur des surfaces en silicium. Le procédé de la présente invention est plus particulièrement utile pour le dépôt de lignes d'interconnexion conductrice formant des motifs dans des circuits intégrés.
Dans la fabrication des circuits intégrés à grande échelle et à très grande échelle, il est généralement souhaitable, à un certain stade du procédé, de former des motifs d'interconnexion en métal. La formation de ces motifs s'effectue souvent en déposant une couche métallique, en revêtant la couche avec un agent photorésistant, en exposant cet agent par l'intermédiaire d'un motif désiré, en développant l'agent photorésistant de manière à exposer des zones du métal sous-jacent, et enfin en enlevant le métal sousjacent de la couche déposée. Tout agent photorésistant restant est alors enlevé, ne laissant que le motif désiré des interconnexions en métal.De plus, alors qu'il est possible d'employer des procédés sélectifs de dépôt de métaux dans lesquels des motifs métalliques sont déposés sur certaines surfaces sélectives d'un matériau, de tels pro cédés ont tendance à se limiter à certains matériaux.
Dans la fabrication des circuits intégrés à grande échelle et à très grande échelle, il est également souhaitable de pouvoir réaliser des connexions électriques à discrétion entre diverses parties du substrat. Il existe plusieurs raisons pour exécuter cette opération. Par exemple, dans les réseaux de portes, on effectue généralement la personnalisation en découpant des lignes d'interconnexion.
Cela peut se faire avec un laser focalisé ou électriquement en faisant passer un courant suffisamment intense dans une liaison fusible. Cependant, il serait également souhaitable d'être en mesure de personnaliser des réseaux de portes, etc., par la formation de liaisons conductrices au lieu de les couper. D'une manière identique, dans la fabrication des dispositifs de visualisation à cristaux liquides, des problèmes de rendement peuvent se poser, en particulier dans le cas des dispositifs de visualisation qui ont de grandes dimensions et/ou sont adressés par matrice. Les défauts survenant dans de tels dispositifs prennent souvent la forme de connexions ouvertes dans les lignes de portes ou les lignes de données. Dans des cas de cette nature, l'ensemble des lignes du dispositif de visualisation peut être rendu non-fonctionnel.Plus généralement, les lignes conductrices qui présentent des profils en gradins car elles croisent d'autres lignes, sont particulièrement sensibles aux défauts dus aux circuits ouverts. On voit par conséquent que dans certains cas il serait extrêmement souhaitable de disposer d'interconnexions conductrices personnalisées qui pontent la connexion de circuits rompus ou dégradés. D'une façon identique, dans la fabrication des puces de circuits intégrés à très grande échelle, les rendements de production ne sont pas toujours aussi élevés qu'on le souhaiterait. Certains défauts se produisant dans un tel processus peuvent être corrigés par l'inclusion de lignes de connexion métalliques de la taille du micromètre qu'on ajoute d'une façon person nalisée de manière à corriger les défauts découverts, en particulier les circuits ouverts.En bref, l'intérêt porté à une écriture directe de structures métalliques en utilisant des dispositifs tels que des faisceaux laser a été entraîné par l'impulsion donnée à l'obtention d'interconnexions à discrétion dans les circuits à intégration à très grande échelle et les activités de conditionnement. D'autres applications concernent la correction des défauts des pastilles ou des masques, l'amélioration des rendements, le masquage localisé, et le revêtement, ainsi que la fabrication de circuits personnalisés.
Ehrlich et Tsao ont annoncé la fabrication de structures en polysilicium ayant des dimensions de l'ordre du sous-micron au moyen d'un procédé pyrolytique employant la vapeur de SiC14 et la vapeur d'hydrogène à l'aide d'un laser à l'argon. On se reportera à ce sujet à la revue "Applied Physics Letters", Volume 44, page 267 (1984). Des recherches faites dans d'autres directions ont fait appel à des systèmes de dépôt thermique par vapeur chimique dans lesquels on utilise de l'hydrogène pour former des pellicules de tungstène conformément à la réaction de réduction suivante
6 + 3H2 ~ W + 6HF (1)
Le mécanisme de la réduction de l'hexafluorure de tungstène (WF6) en présence d'hydrogène a fait l'objet d'études poussées. On se reportera à l'article de J.B. Berkeley, A.
Brenner, et W.E. Reed dans la revue "Journal of Electrochemical Society", Volume 114, page 701 (1967). On se reportera également à l'article de W.A. Bryant dans la revue "Journal of Electrochemical Society", Volume 125, page 1534 (1978). Dans ces études, on a employé l'hydrogène comme gaz pour la réduction de l'hexafluorure de tungstène. Cependant, l'utilisation de l'hydrogène comme atmosphère réductrice soulève certains inconvénients dans l'écriture directe, provoquée par laser, des lignes en métal réfractaire sur des surfaces de silicium. Par exemple, comme une réaction en phase gazeuse est impliquée dans la cinétique de la réaction, la résolution peut être limitée aux vitesses d'écriture élevées.Alors qu'on ne saisit pas bien les raisons précises de tous les phénomènes de réaction se produisant dans les réactions de réduction à l'hydrogène de ce type, on pense généralement que la participation de l'hydrogène à la réaction au lieu d'une participation superficielle directe est un facteur contribuant à la limitation de la résolution.
En outre, l'utilisation de la réduction à l'hydrogène avec des lasers ne se traduit généralement pas par la formation de lignes métalliques avec une morphologie de la surface aussi régulière que celle obtenue lorsqu'on emploie seulement des réactions de réduction en surface.
Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, un procédé pour le dépôt de métal réfractaire sur une surface en silicium comprend les étapes consistant à disposer la surface en silicium dans une atmosphère comprenant un composé gazeux de métal réfractaire tel que l'hexafluorure de tungstène. La surface en silicium qui peut être formée en motif ou non, est alors chauffée momen tanément dans cette atmosphère par l'intermédiaire d'un masque avec une source étendue rayonnant de la chaleur telle qu'un laser ou une lampe incohérente pendant un court laps de temps. Le chauffage se produit suivant un profil prescrit à une température suffisante pour chauffer la surface de manière à amorcer une réaction de réduction en surface dans laquelle le métal réfractaire est réduit et déposé sur la surface de silicium ou autres sortes de surfaces, ou à leur place, lesquelles agissent en agent réducteur. On remarquera que le dépôt de la présente invention peut s'effectuer sur une surface de silicium amorphe, cristallin, ou polycristallin. Le traitement est de préférence effectue dans une chambre sous vide avec une pression partielle gazeuse de
WF6 comprise entre 130 Pa et 13 kPa avec de l'argon comme gaz tampon à une pression partielle d'environ 102 kPa. La couche de métal réfractaire déposée a une épaisseur comprise typiquement entre environ 10 et 100 nm.Dans le procédé de la présente invention, la surface même du silicium agit en agent réducteur pour le gaz contenant un métal. Par exemple, l'utilisation d'hexachlorure de tungstène produit la réaction chimique suivante
2 WF6 + 3 Si - 2 W + 3SiF4 (2)
Dans les procédés de dépôt par vapeur chimique provoqué par rayonnement, employant un chauffage transitoire pour le dépôt de surfaces métalliques à motifs, la réaction se produit typiquement pendant une durée comprise entre quelques secondes et un temps inférieur à quelques millisecondes, cette durée étant fonction de la durée du chauffage transitoire. Les conditions de dépôt peuvent être réglées en faisant varier la puissance et la pression du gaz.
Par conséquent, la présente invention a pour objet un procédé pour la formation directe d'un motif métallique sur une surface.
La présente invention a pour autre objet un procédé pour la formation de lignes métalliques d'interconnexion en motifs sur des puces de circuits électriques.
La présente invention a encore pour objet un procédé pour diminuer la largeur des lignes métalliques en motifs dans divers procédés de fabrication de semi-conducteurs, comprenant la production de puces ou de masques de circuits de semi-conducteurs à intégration à très grande échelle.
Enfin, mais sans que cela soit limitatif, la présente invention a pour objet un procédé pour la formation de motifs métalliques de haute résolution sur un substrat qui est alors utilisé en conjonction avec d'autres procédés soit à titre d'étape d'attaque soit à titre de base pour la croissance de couches épaisses.
La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent respectivement
Figure 1A, une vue en coupe, en élévation de côté, d'un substrat auquel on doit conférer un motif de matériau conducteur de l'électricité selon le procédé de la présente invention
figure 1B, une vue en coupe, en élévation de côté, du substrat de la figure 1A auquel on a ajouté une surface réductrice telle qu'une couche de polysilicium ou de silicium amorphe, avec ou sans motif
figure 1C, une vue en coupe, en élévation de côté, du substrat de la figure 1B traité en conformité avec le procédé de la présente invention au moyen d'une source étendue de rayonnement électromagnétique par l'intermédiaire d'un masque de formation de motif, le motif résultant ayant, comme indiqué, une meilleure résolution ;;
figure 1D, le procédé de la présente invention après le traitement illustré en figure 1C
figure 1E, une vue en coupe, en élévation de côté, de la structure du motif formé en figure 1D dans le procédé de la présente invention à l'issue duquel la couche 15 a été enlevée, par exemple par attaque sélective.
Dans l'utilisation du dépôt en phase gazeuse provoqué par un rayonnement pour le traitement de matériaux électroniques et la fabrication de dispositifs, il existe fondamentalement deux approches, à savoir : (1) le dépôt provoqué par des réactions pyrolytiques ou photolytiques qui sont effectuées directement par le rayonnement et (2) le dépôt obtenu lorsqu'on modifie par un rayonnement un état de surface. Les derniers procédés comprennent, par exemple, la modification des réactions catalytiques ou des barrières de nucléation par un rayonnement afin de renforcer ou d'inhiber la croissance ultérieure de pellicules.Le procédé décrit dans la présente demande est axé sur l'utilisation des réactions de pyrolyse provoquées par un rayonnement électromagnétique par l'intermédiaire d'un masque à motifs, en particulier celles obtenues par une énergie laser ou autres sources d'énergie rayonnante. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, le procédé emploie. une réaction de réduction de l'hexafluorure de tungstène par une surface de silicium provoquée par un chauffage localisé en utilisant une source étendue de rayonnement transitoire (c'est-a'-dire non focalisée). Comme les procédés pyrolytiques dépendent beaucoup de la température locale, la vitesse de la réaction est fortement influencée par des conditions de température non-linéaires telles que celles produites par un faisceau laser ou par le passage dans une ouverture.
On portera maintenant son attention aux figures lA-lE dans lesquelles on a illustré un mode de réalisation du procédé de la présente invention. Plus particulièrement, la figure 1A illustre un substrat 10 sur lequel on souhaite former un motif métallique. La figure 1B illustre une première étape dans la formation du motif métallique. En particulier, on dépose une couche réductrice 15 sur le substrat 10. La couche 15 peut être en silicium cristallin, en silicium polycristallin, ou en silicium amorphe. En général, à cause des températures élevées nécessaires au traitement, le silicium cristallin est un matériau plus difficile à déposer.Selon la présente invention, la couche 15 est exposée à une source étendue de rayonnement thermique 25 par l'inter médiaire d'un masque 20 dans une atmosphère d'un composé contenant au moins un métal gazeux. On choisit ce composé de manière qu'il soit capable d'être réduit, par exemple, par le silicium. L'énergie rayonnante 25 provoque un chauffage localisé de zones ll' et 12' dans la couche 15. Le chauffage localisé dans l'ambiance choisie produit une réaction telle que celle décrite ci-dessus dans l'équation (2). De fait, le silicium des régions 1l' et 12' est remplacé par des zones conductrices 11 et 12. Cette étape et la structure obtenue sont représentées en figures 1C et 1D. A cause de la nature non-linéaire dont il a été question plus haut, on améliore la résolution du motif produit.Les ambiances ayant la préférence sont l'hexafluorure de tungstène ou l'hexafluorure de molybdène. Comme le chauffage se produit dans une ambiance contenant un composé de métal réfractaire gazeux réactif, le silicium chauffé dans la couche 15 réagit con formément à l'équation (2) pour transformer une partie de la couche de silicium en tungstène ou en molybdène, alors qu'il y a une formation simultanée de tétrafluorure de silicium gazeux. La couche de silicium 15 peut alors être enlevée par attaque sélective, laissant des motifs métalliques conducteurs 11 et 12 déposés sur le substrat 10. Alors que la figure 1E est seulement une vue en coupe, on comprendra# que la métallisation déposée s'étend suivant des motifs sensiblement de même longueur que le masque 20.On remarquera également que la largeur de l'ouverture du masque 20 est plus grande que celle des régions chauffées 11' et 12'.
Comme le procédé de la présente invention est base sur l'effet donné par un chauffage localisé, les motifs de métallisation ainsi produits sont réellement plus petits que les motifs présents sur le masque 20. Cela confère un avantage important à la présente invention en ce sens que les circuits finalement créés présentent des largeurs de lignes inférieures à la résolution en largeur de ligne du masque employé. L'efficacité du procédé venant d'être décrit dans la formation de motifs métalliques dans du silicium a fait l'objet de démonstrations dans des expériences de formation de lignes en tungstène en employant un chauffage par laser focalisé. Les mêmes conditions d'ambiance, de température et de pression sont applicables au présent procédé.
Par exemple, on a déposé de fines lignes de tungstène de la taille du micron avec une largeur minimum des lignes de 1 micromètre à une vitesse de plusieurs centimètres par seconde sur une surface en silicium cristallin balayée par un faisceau laser focalisé à l'argon ayant un spot d'environ 20 micromètres dans une chambre de réaction contenant de l'hexafluorure de tunsgtène à une pression partielle de 13 kPa et de l'argon comme gaz tampon inerte à 2 une pression partielle d'environ 102 kPa. La mesure de la résistivité des lignes déposées a donné une valeur inférieure à 1 milîiohm/centimètre.
Dans un autre exemple du procédé de la présente invention, on a déposé une pellicule de tungstène ayant une épaisseur supérieure à environ 100 nanomètres sur une couche de silicium amorphe qui, à son tour, fut déposée sur un substrat en bioxyde de silicium dans une chambre de réaction contenant de 1'hexafluorure de tungstène à une pression partielle de 13 kPa et du gaz argon à une pression partielle de 102 kPa. On peut employer des lasers à ondes entretenues, à grenat yttrium-aluminium et à grenat yttrium-aluminium pulsés, doublés en fréquence.
On notera que dans la présente invention il est généralement souhaitable de chauffer la surface du silicium a une temérature comprise entre environ 3500C et 550 0C. On notera également qu'il y a lieu d'éviter les températures anormalement élevées à cause de la tendance à la formation de siliciure de tungstène. On remarquera aussi que, alors qu'on emploie de préférence des faisceaux laser pour provoquer un chauffage localisé, on peut utiliser aussi d'autres sources d'énergie rayonnante.
D'après ce qui précède, on remarquera que le procédé de la présente invenion permet d'obtenir un dépôt direct de motifs en métal réfractaire sur un substrat avec une meilleure résolution et une réduction des étapes de traitement. On voit aussi que la présente invention permet d'obtenir une meilleure résolution en tirant profit de la dépendance non-linéaire vis-à-vis de la température des vitesses de réaction chimique pour produire des particula rités plus petites. On voit aussi que le procédé de la présente invention fournit un mécanisme pour l'écriture de lignes fines ayant une résistivité électrique appropriée. On note également que la présente invention permet la formation de lignes conductrices même dans des zones où la présence de différences dues à des gradins dans des circuits intégrés est une nécessité. On remarque aussi que le procédé de la présente invention satisfait les objectifs exPosés ci-dessus.

Claims (13)

REVENDICATION
1. Procédé pour le dépôt d'un métal réfractaire sur un substrat, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à :
disposer le substrat (10) dans une ambiance contenant au moins un composé de métal réfractaire gazeux, ce composé pouvant être réduit par le substrat ; et
chauffer le substrat dans ladite ambiance par l'intermédiaire d'un masque (20) au moyen d'une source (25) de rayonnement thermique transitoire, jusqu a une température suffisante pour amorcer la réduction en surface dans laquelle le métal réfractaire est réduit et déposé à la place d'au moins une partie du matériau du substrat en conformité avec le motif du masque.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat réducteur (10) comporte une surface choisie dans le groupe constitue du silicium cristallin, du silicium polycristallin, et du silicium amorphe.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est effectué par un faisceau laser.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est effectué par une lampe incohérente.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lampe comprend une source de rayonnement électromagnétique.
6. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que le composé de métal réfractaire gazeux est choisi dans le groupe constitué de 1'hexafluorure de tungstène et de l'hexafluorure de molybdène.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le composé de métal réfractaire gazeux est présent à une pression partielle comprise entre environ 130 Pa et environ 13 kPa.
8.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe le substrat (10) jusqu'à une température comprise entre environ 3500C et 5500C.
9. Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que la température est insuffisante pour amorcer la formation de siliciures de métaux réfractaires,
10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ambiance dans laquelle la surface de silicium est disposée comporte également un gaz tampon inerte.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz tampon comprend de l'argon.
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz tampon est présent à une pression partielle d'environ 102 kPa.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à enlever le silicium (15) n'ayant pas réagi de la couche de silicium.
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