2-1 Conséquences sur l’attaque chimique des matériaux conducteurs et leurs sélectivités

- L’électrode de travail

L’électrode de travail doit être très conductrice pour assurer un bon échange d’électrons avec la solution d’ions de cuivre. Les métaux les plus utilisés en microélectronique sont, par ordre croissant de conductivité : l’aluminium, l’or et le cuivre. L’aluminium s’oxyde très facilement et n’est pas assez conducteur en comparaison avec l’or et le cuivre. Un contact en cuivre serait le choix idéal pour une croissance électrolytique de cuivre. Toutefois, les oxydes de cuivre se forment très rapidement. En revanche, l’or ne s’oxyde pas et présente une conductivité électrique suffisante pour notre application. D’autre part, la solution d’attaque de l’or, constituée d’un mélange KI+I2, est sélective vis-à-vis du

cuivre. Néanmoins, dans la pratique, il a été constaté que la solution d’attaque de l’or augmentait la

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La sélectivité d’un métal par rapport à un autre, les deux étant immergés dans une solution chimique d’attaque, se défini comme la capacité du premier à être gravé sans que le second soit notablement altéré.

A Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ Cu2+ e- W a f e r e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- e- Contre électrode

rugosité des conducteurs en cuivre. D’autre part, l’or gravé vient se redéposer sur les bobines de cuivre avec une couleur noire caractéristique du mélange KI+I2. L’utilisation d’une solution acide permet

d’éliminer cette couche et de retrouver la couleur rose caractéristique du cuivre.

- La couche d’accroche

L’or et le cuivre ne se fixent pas sur le silicium ou l’oxyde de silicium pour des raisons d’incompatibilité des mailles cristallographiques. Une première couche dite d’accroche est nécessaire pour réaliser la transition entre le SiO2 et le métal à déposer. Celle-ci peut-être réalisée en chrome ou

en titane. Les deux solutions ont été étudiées dans le cadre de la thèse. Le choix entre les deux a été guidé par la facilité que nous avions de graver cette couche d’accroche sans endommager les bobines. Le chrome peut être gravé à l’aide d’une solution commerciale de ‘Chrome Etch’, mais elle attaque également le cuivre. Une solution diluée H2SO4 : H2O dans une proportion 1 : 1, sélective vis-à-vis du

cuivre, a également été testée. La vitesse de gravure est très importante. De plus, du fait du caractère isotrope d’une attaque chimique, une sur gravure du chrome se produit sous les bobines en cuivre, provoquant leur décollement (Figure 3.3).

Figure 3.3. Phénomène de sur gravure de l’or par le KI+I2 et de la couche d’accroche sous les motifs en cuivre

Une dilution plus importante a permis de ralentir la vitesse d’attaque sans pour autant régler le problème de sur gravure. D’autre part, le chrome laisse apparaître des contraintes mécaniques importantes, pouvant déformer le wafer et les structures réalisées dessus. Le titane est gravé avec du HF (acide fluorhydrique) qui est sélectif vis-à-vis de l’or et du cuivre. Dans sa formulation de base (50% HF), la gravure est trop rapide et entraîne une sur gravure du titane sous les bobines en cuivre. En utilisant du ‘buffer HF’ (HF dilué à 12,5%), la vitesse d’attaque est diminuée et limite la sur gravure du titane.

Finalement, nous avons donc choisi de travailler avec une couche d’accroche en Ti/Au (Figure 3.4.a). De manière générale, la gravure de l’or puis du titane entre les motifs de cuivre doit être réalisée avec soin pour limiter la sur gravure de l’or puis du titane sous les motifs en cuivre. Ce problème de sur gravure entraîne la perte d’un grand nombre de motifs par décollement (Figure 3.5.a). La sur gravure à deux causes principales :

Les micro-masquages : ils sont principalement imputables à des résidus de résine à des re- dépositions de métal gravé ainsi qu’à des bulles d’air piégées entre les lignes de cuivre. Ils protègent des zones de la pénétration de la solution d’attaque chimique. Ces masquages laissent apparaître par la suite des zones où l’or n’est pas attaqué, mettant en court-circuit plusieurs spires entre elles (Figure 3.4.b). Les micro-masquages obligent donc à augmenter le temps de gravure pour éliminer tous les courts-circuits entre les spires. Un nettoyage complet enchaînant acétone et « AZ 100 remover » permet de supprimer les résidus de résine. Les résidus organiques en général sont supprimés avec un plasma O2, mais la présence de cuivre nous l’interdit car il s’oxyderait. Concernant les re-dépositions

de métal gravé, l’alternance rinçage/attaque règle le problème. Le rinçage à l’eau dé-ionisée (eau DI) présente des intérêts multiples. Avant l’attaque, il élimine les bulles d’air, favorisant la pénétration de

Cuivre Or Or Accroche Accroche Oxyde Silicium tOr tTi

Attaque chimique isotropique

la solution de gravure entre les spires. Après l’attaque, il élimine le métal gravé et stoppe l’action de la solution de gravure. Ainsi, un bon rinçage évite de trop attaquer les zones ouvertes par rapport aux zones protégées par les micros masquages.

a) b)

Figure 3.4. Photo optique de conducteurs de cuivre réalisés sur une couche de croissance en or a) Conducteurs en cuivre réalisés sur une couche pleine plaque de Ti/Au,

b) Micro-masquage lors de la gravure de la couche de Ti/Au

L’épaisseur de la couche d’accroche : Une attaque chimique est isotrope. La solution présente donc une même vitesse d’attaque quelque soit la direction de l’espace. Si les épaisseurs de titane tTi et

d’or tor sont importantes, le temps de gravure va augmenter amplifiant le phénomène de sur gravure

sous les lignes de cuivre (Figure 3.3). Les épaisseurs constituant la couche d’accroche doivent être choisies de manière à être négligeables devant la largeur du motif en cuivre.

- Epaisseurs

Le choix des épaisseurs de titane et d’or nous amène à réaliser un compromis. En effet, si nous optons pour des épaisseurs faibles, ce sera au détriment de l’homogénéité de la croissance électrolytique de cuivre car la couche d’accroche sera devenue trop résistive. A l’inverse, si nous choisissons de favoriser l’homogénéité de la croissance avec de fortes épaisseurs de titane et d’or, cela entraînera des problèmes de surgravure de la base de croissance et le décollement des inductances (Figure 3.5.a).

a) b)

Figure 3.5. Décollement des conducteurs en cuivre par surgravure de la couche d’or a) Vue optique du décollement, b) Observation MEB

Nous avons débuté nos essais avec du Ti/Au 1000A°/2000A°. La couche d’or assure l’essentiel de la conduction électrique et la couche de titane plus fine sera plus facile à graver. Toutefois, des

Or non Cuivre électrolytique Or sur Titane Or surgravé Conducteurs en cuivre décollés Conducteurs en cuivre restant Cuivre Or surgravé Empreinte d’un conducteur de cuivre décollé Or non gravé

problèmes de surgravure sont apparus dès l’attaque de l’or provoquant la perte de plusieurs inductances sur le wafer (Figure 3.5.b). Le passage à une couche de Ti/Au 1000A°/1000A° assure le maintien de la plupart des structures après la gravure de l’or et du titane. La variation d’épaisseur entre les bobines du centre et de l’extérieur du wafer est comprise entre 2µm et 5µm pour une épaisseur visée de 15µm. Le contrôle des épaisseurs des différentes couches technologiques sont réalisées à l’aide d’un profilomètre mécanique.

II-2-2. Conséquences sur la croissance électrolytique : problèmes