la permittivité de l isolant inter-ligne n est pas appliqué aux barrières diélectriques (la barrière de la génération 120 nm est le SiN (ε SiN

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1 La réduction des dimensions des composants d un circuit intégré permet de réduire le coût lié à sa fabrication, d accroître le nombre de fonctionnalités sur une même puce et d augmenter la vitesse de fonctionnement des transistors. Par contre, les performances des interconnexions se dégradent à un point tel que les phénomènes parasites, liés à la propagation du signal, deviennent prépondérants par rapport à ceux générés par les composants actifs. En effet, si l on considère à la fois la réduction des dimensions des interconnexions (largeur et hauteur des lignes, espace séparant deux lignes adjacentes, hauteur de diélectrique...) et une composition inchangée des différents matériaux utilisés, la capacité de couplage et la résistance augmentent naturellement d une génération à l autre, et par conséquent le retard pris par le signal pour être transmis. De plus, la densité de courant qui traverse les lignes et les vias augmente considérablement pour répondre aux applications des circuits intégrés, ce qui a pour conséquence d accentuer les phénomènes d électromigration qui limitent la durée de vie des interconnexions par la génération de cavités. La barrière diélectrique, qui est utilisée (i) pour empêcher la diffusion du cuivre dans la matrice isolante, (ii) pour protéger le cuivre de toute oxydation, et (iii) comme couche de contrôle de l arrêt de la gravure, participe à la dégradation de ces performances de deux manières : 1. La barrière diélectrique a une permittivité plus élevée (ε r = 7 et 5 pour les générations 120 et 90 nm) que celle de l isolant inter-ligne et de ce fait, elle contribue à la dégradation de la permittivité effective des interconnexions lorsque des matériaux diélectriques à très faible permittivité (ε r = 3, 1 et 2, 5 pour les générations 90 et 65 nm) sont intégrés comme isolant. Une réduction de l épaisseur de la barrière ou de sa permittivité pourrait, a priori, diminuer sa contribution à la dégradation des performances de propagation du signal. Néanmoins, il existe des contraintes sur l épaisseur et la permittivité de la barrière diélectrique; par exemple, elle doit présenter une épaisseur minimale et une certaine composition pour pouvoir jouer son rôle de barrière et celui de couche d arrêt de la gravure. De ce fait, le facteur de réduction des dimensions des interconnexions d une génération à une autre ne s applique pas à l épaisseur des barrières diélectriques (par exemple, les barrières diélectriques des générations 120, 90 et 65 nm ont toute une même épaisseur de 40 nm) et le coefficient de réduction de 151

2 la permittivité de l isolant inter-ligne n est pas appliqué aux barrières diélectriques (la barrière de la génération 120 nm est le SiN (ε SiN r = 7) mais celle des générations 90 et 65 nm est le SiCN (ε SiCN r = 5)). La contribution de la barrière diélectrique à la dégradation des performances de propagation du signal ne peut que s accentuer pour les futures générations technologiques. 2. Par ailleurs, l interface entre le cuivre et la barrière diélectrique est le chemin préférentiel de migration des atomes de cuivre sous un flux d électrons car la barrière diélectrique présente une plus faible adhésion avec le cuivre que la barrière métallique avec le cuivre. Ce phénomène, dit d électromigration, conduit à l accumulation de lacunes pour former une cavité qui va croître et rompre la continuité des lignes et des vias : lors du fonctionnement du circuit intégré, cette interface est donc responsable de la limitation de la durée de vie des interconnexions. Avec la réduction des dimensions des interconnexions, la densité de courant augmente considérablement, ce qui a pour conséquence d accentuer ces phénomènes d électromigration et donc de réduire davantage la durée de vie des interconnexions. Les procédés de dépôt ou de formation de barrières auto-positionnées sur cuivre, i.e. sélectifs par rapport au cuivre, ont été initialement étudiés afin de répondre aux problèmes de dégradation des performances de propagation du signal par la suppression de la contribution de la barrière diélectrique à la capacité de couplage latérale. Cependant, ces traitements se sont également révélés efficaces pour sceller la surface du cuivre et ainsi améliorer notablement les performances de fiabilité ouvrant ainsi des perspectives plus larges a leur utilisation. Durant cette thèse, deux procédés de formation de barrières auto-positionnées ont été évalués. Le premier, fondé sur le traitement sélectif de la surface du cuivre en vue de la formation d une barrière dite CuSiN, se réalise en suivant trois étapes : le retrait de l oxyde natif de cuivre par un plasma réducteur (NH 3, H 2,...), l incorporation de silicium dans le cuivre après décomposition d un précurseur à base de silicium (silane, tri-méthyl-silane) et enfin, l incorporation d azote dans le siliciure de cuivre pour former le CuSiN stable. L étude des procédés CuSiN a permis de déterminer un mécanisme de formation du matériau et de déterminer les paramètres critiques clefs des différentes étapes du procédé. Pour augmenter l homogénéité de la siliciuration, nous avons montré qu il était possible de jouer sur les paramètres du procédé (débit, température, concentration...) et les étapes du procédé (plasma réducteur avant siliciuration...). L étape de siliciuration s avère difficile à maîtriser car elle dépend aussi de paramètres indépendant du procédé lui-même, tels que la taille des grains de cuivre et leur orientation cristalline. Enfin, la nitruration est une étape essentielle pour donner au CuSiN ses propriétés de barrière, pour stabiliser le silicium contenu dans le CuSiN et l empêcher de diffuser dans le cuivre sous des contraintes thermiques et électriques. En fonction des conditions de procédés CuSiN, une bi-couche CuSiN/SiN auto-positionnée à la 152

3 surface du cuivre peut être obtenu. Le second procédé est fondé sur la croissance auto-catalytique en phase liquide d un alliage de CoWP/B. La première étape consiste à préparer la surface des échantillons (retrait de l oxyde de cuivre) en vue du dépôt. Ensuite, l initiation de la croissance s effectue soit grâce à un catalyseur comme le Pd, soit en utilisant un agent réducteur spécifique. L étape de dépôt correspond à la croissance auto-catalytique du CoWP/B. Enfin, une solution de rinçage permet de mettre fin à la croissance du CoWP/B. Comme les matériaux CoWP/B sont formés à partir de solutions commerciales, les paramètres du procédé de croissance ne sont ni accessibles ni modifiables. L étude concernant ces alliages a donc consisté à vérifier si les matériaux formés remplissaient les critères requis pour leur introduction en tant que barrières auto-positionnées. Pour intégrer ces procédés CuSiN et CoWP/B en tant que couches barrières autopositionnées seules, les matériaux formés doivent remplir les fonctions jouées par les barrières diélectriques qu ils remplacent. Or, comme les barrières auto-positionnées sont par définition localisées uniquement sur le cuivre, elles ne permettent pas de contrôler l arrêt de la gravure lors d un désalignement de via; leur intégration selon cette approche constitue donc une rupture du schéma d intégration standard. Cependant, une telle rupture est nécessaire pour de nombreuses applications comme les capteurs d images CMOS, pour lesquels la réduction du nombre de couches diélectriques traversées par la lumière avant d atteindre la photo-diode permet d améliorer la sensibilité du capteur, ou encore, la fabrication de cavités d air entre les lignes (air-gaps). Par contre, si les matériaux formés par ces procédés auto-positionnés ne sont pas des barrières contre la diffusion du cuivre ni contre son oxydation, alors ils doivent être introduits dans un empilement hybride (couche auto-positionnée + barrière diélectrique), où les contraintes sur les procédés sont moindres. Leur intérêt réside alors non plus dans l amélioration des performances de propagation du signal mais dans l amélioration des performances de fiabilité. L intégration de barrières auto-positionnées seules en remplacement des barrières diélectriques n est possible que pour les procédés CuSiN car seuls ces procédés forment des matériaux efficaces pour empêcher la diffusion du cuivre et son oxydation. Un résultat notable a été de démontrer que l intégration du CuSiN en remplacement de barrières diélectriques ne nécessitait aucune modification du schéma d intégration et pouvait utiliser la plupart des procédés déjà développés pour les barrières diélectriques. De plus, le désalignement des vias n est pas un facteur limitant l intégration du CuSiN en remplacement des barrières diélectriques avec les procédés de gravure et les matériaux utilisés. Nous avons montré que l utilisation d une barrière auto-positionnée CuSiN réduit d environ 5 % la capacité de couplage, amé- 153

4 liore la durée de vie des interconnexions d un facteur 10 sous test d électromigration et d un facteur 400 sous test de rupture diélectrique. Par contre, l intégration dite hybride est envisageable pour les deux procédés étudiés. Cependant, alors que le CuSiN est parfaitement compatible avec les matériaux et les procédés standards d intégration, deux étapes sont critiques pour l intégration du CoWP/B : au cours de l ouverture du SiCN durant l étape de gravure, la chimie interagit avec le CoWP/B ce qui modifie la polymérisation des flancs du matériau poreux et entraîne sa surgravure; la chimie de nettoyage post-gravure joue le rôle d électrolyte dans une réaction de corrosion galvanique entre le Cu et le CoWP/B qui dégrade et retire le CoWP/B de la surface des lignes. L intégration du CoWP/B requiert donc le développement de nouvelles chimies de gravure et de nettoyage ou l implémentation des solutions architecturales proposées visant, entre autre, à éviter tout contact entre le CoWP/B et ces chimies. En terme de fiabilité, le CuSiN permet d améliorer la durée de vie des interconnexions d un facteur 10 alors qu une épaisseur de 5 nm de CoWP/B l augmente d au moins un facteur 70. Cependant, les énergies d activation des deux procédés sont proches de 1 ev, ce qui signifie que la migration des atomes de cuivre s effectue dans les deux cas à l interface supérieure du cuivre Cu/SiCN qui n est pas parfaitement scellée. Pour le CuSiN, cela montre que tous les grains de cuivre ne sont pas siliciurés et dans le cas du CoWP/B étudié, le défaut de scellement se produit autour de la barrière TaN/Ta. La quantité de surface non scellée déterminera la tenue en électromigration des deux approches. L évolution des générations technologiques tend à s effectuer en conservant l architecture d intégration actuelle, i.e. en gardant la barrière diélectrique. L introduction des procédés auto-positionnés dans un empilement hybride est donc souhaitable. Les procédés CuSiN dans ce type d empilement sont matures et ne nécessitent pas l introduction de nouveaux équipements ni de modification du schéma d intégration. Comme ils améliorent ponctuellement l interface critique Cu/SiCN (grains siliciurés) en apportant un gain d un facteur 10 sur la durée de vie des interconnexions, leur introduction dès le nœud 45 nm permettrait de satisfaire rapidement le critère de fiabilité pour des densités de courant élevées (le passage du nœud 65 nm au nœud 45 nm s accompagne d une augmentation de la densité de courant d un facteur 3 - voir Tableau Page 155). Pour améliorer davantage les performances de fiabilité du CuSiN, il faudra siliciurer de façon homogène tous les grains de cuivre sans augmenter la quantité de silicium incorporé. Pour cela, une étude sur la compréhension de l influence du plasma réducteur sur l aptitude des grains de cuivre à se siliciurer est nécessaire. Au contraire, l introduction des procédés CoWP/B nécessite encore un important travail de développement du procédé de dépôt et des procédés d intégration. Néanmoins, le gain sur 154

5 la résistance des interconnexions contre les phénomènes d électromigration apporté par les matériaux CoWP/B est considérable et plus important que celui apporté par le CuSiN. Ils permettront donc aux interconnexions de résister aux très fortes densités de courant prévues pour les générations sub-32 nm (le passage du nœud 65 nm au nœud 32 nm s accompagne d une augmentation de la densité de courant d un facteur 4 - voir Tableau Page 155) ce qui laisse du temps pour atteindre une maturité suffisante pour lever les différentes limitations actuelles. Tableau : Evolution de la densité de courant pour les prochaines générations technologiques et nœuds technologiques pour l application des procédés CuSiN et CoWP/B. Année de production Nœud technologique (nm) Densité de courant ( 10 5 A/cm 2 ) - niveau intermédiaire) 8, 91 13, 6 20, 8 30, 8 38, 8 51, 5 61, 8 64, 6 80, 8 Domaine d application CuSiN CoWP/B Pour les générations 45 et 32 nm, il est possible de réduire la permittivité effective des interconnexions sans avoir recours aux barrières auto-positionnées, grâce à l utilisation de porosité dans les matériaux isolants inter-lignes. Néanmoins, l ultime solution est le remplacement de l isolant inter-lignes par des cavités d air (air-gaps). Leur intégration, qui correspond alors à une rupture du schéma d intégration actuel, requiert l utilisation de barrières autopositionnées comme celles formées par les procédés CuSiN. Néanmoins, sans optimisation, le gain apporté par les procédés CuSiN sur la fiabilité reste limité. Or, l intégration de cavités d air est requise pour les générations technologiques sub-32 nm, qui nécessitent l utilisation de barrières auto-positionnées présentant une aussi forte résistance contre les phénomènes d électromigration que celle apportée par le CoWP/B. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles chimies de dépôt d alliages formant une barrière efficace contre la diffusion du cuivre, résistante à l oxydation et aux différents procédés d intégration. Une alternative, plus facile à mettre en œuvre, consiste à appliquer un traitement après la formation du CoWP/B pour modifier sa surface; nos premiers essais obtenus en appliquant des procédés de siliciuration et de nitruration, qui forment une couche de CoSiN, sont prometteurs. Ces résultats ouvrent donc une perspective intéressante pour répondre aux exigences de propagation du signal et de fiabilité des interconnexions des générations technologiques les plus avancées. 155