La dimension et le profil des via et des lignes dans le matériau diélectrique sont contrôlés principalement par l‟intégrité du masque et les propriétés de gravure anisotropes du plasma vis-vis du matériau à graver.
Distorsion du profil due à une mauvaise intégrité du masque :
Pendant la gravure, un masque protège le matériau qu‟il ne faut graver le moins possible pour conserver les motifs à transférer dans la couche sous-jacente. La gravure du low-k doit être sélective par rapport à ce masque, c‟est à dire que le plasma utilisé pour graver le diélectrique doit être le plus inerte possible vis-à-vis du matériau choisi en tant que masque. Une bonne sélectivité permet d‟éviter une diminution trop rapide de l‟épaisseur du masque et donc de le conserver tout au long de
la gravure. Le masque dur métallique en TiN à une sélectivité supérieure à 50 alors que celle de la couche carbonée du masque organique est inférieure à 4.
Un masque peut être légèrement facetté durant la gravure. Ainsi la largeur du masque dur peut diminuer ce qui entraîne une légère gravure du matériau sous-jacent jusqu‟alors non exposé au plasma. Ainsi, des profils en pente dans la couche masquée peuvent se former comme le montre la Figure 1-12-a. Afin de favoriser le remplissage du cuivre, des profils en pente sont volontairement réalisé par STMicroélectronics, en utilisant un masque métallique aminci (Figure 1-12-b). De tels profils ont déjà été observés avec un masque métallique et organique [67].
(a)
(b)
Figure 1-12 : a) Distorsion de motif provoqué par le facettage du masque et b) Masque dur en TiN aminci à 10 nm pour favoriser un profil en pente
Distorsion du profil due à une contrainte mécanique liée au masque :
Il a été montré que les contraintes mécaniques induites par un masque ou que subissent un masque peut conduire à une déformation des motifs durant la gravure.
Le masque dur métallique en TiN est déposé à une température de 500°C environ ce qui génère un stress compressif d‟environ 2.5 GPa. Lors de la gravure du diélectrique, des ondulations peuvent apparaître car les lignes étroites de diélectrique ne peuvent plus empêcher la relaxation de la contrainte résiduelle de compression du TiN. La Figure 1-13 illustre ce phénomène appellé « flambage » ou « wiggling » en anglais [67, 68].
En utilisant un masque organique qui a un stress presque aussi faible que le diélectrique, le phénomène de wiggling est largement minimisé. Notons que le flambage du masque organique peut malgré tout exister lorsque le facteur de forme du diélectrique est très élevé (hauteur/largeur) [69].L‟évolution des technologies prévoit des lignes de plus en plus étroites et profondes en même temps que des diélectriques de plus en plus poreux et mécaniquement moins stables. La prise en compte du flambage est primordiale puisqu‟il car le risque est de plus en plus élevé. Ma thèse ne traitera pas du wiggling car il fait déjà l‟objet d‟une thèse au sein de Minatec [70].
Distorsions de profils dues au plasma de gravure
Même si le masque est parfaitement résistant, il reste difficile d‟obtenir une gravure parfaitement anisotrope et des déformations de profil sont souvent observées. La Figure 1-14 décrit les distorsions de profil les plus fréquemment rencontrées.
Figure 1-14 : Différents types de profils après la gravure de tranchées
La gravure sous le masque (ou « undercut » en anglais) est provoquée par l‟attaque isotrope chimique des espèces neutres réactives présentes dans le plasma.
Le profil en tonneau (ou « bow » en anglais), est quant à lui attribué au bombardement des flancs par des ions. Il provient principalement de trois phénomènes [Fuard03, Bogart00] :
La vitesse transversale des ions : Même si on considère que les ions sont dirigés perpendiculairement au substrat à graver, leur vitesse possède également une composante horizontale non nulle. Des ions peuvent alors atteindre les flancs des tranchées, ce qui provoque une gravure latérale. Dans ce cas, la position du « bow » est fixée par l‟espacement entre les lignes et par la composante transversale de la vitesse des ions [71].
La déflexion des ions sur la facette du masque du motif voisin : si le masque est facetté, les ions peuvent se réfléchir à sa surface pour atteindre le flanc opposé de la tranchée. Ceci peut conduire à une gravure latérale plus ou moins localisée, et donc à un phénomène de « bow » [72].
La déflexion des ions induite par les charges électrostatiques présentes sur les surfaces des structures [73]. Lorsque le masque est isolant, ses flancs se chargent négativement, sous le flux isotrope des électrons. Cette charge dévie les ions qui pénètrent dans la tranchée. Ils ne sont donc plus perpendiculaires au substrat, et peuvent graver latéralement les tranchées [73]. Ce phénomène de bow peut être minimisé grâce à des couches de passivation suffisamment résistantes pour supporter le bombardement ionique résultant de ces trois phénomènes.D‟autre part, la déformation appelée profils obliques est caractérisée par l‟apparition d‟une pente. Elle peut, comme on l‟a vu précédemment, être la conséquence du facettage du masque. Le motif a alors des dimensions inférieures à celles définies lors de l‟étape de lithographie On peut aussi observer un profil pentu avec un élargissement du motif : la cause est la formation d‟une couche de passivation trop épaisse sur les flancs du masque.
Finalement, le phénomène de flambage peut aussi apparaitre lorsque qu‟une couche trop épaisse d‟espèces fluorocarbonées se dépose sur les flancs et le dessus de l‟empreinte de la ligne. En se déposant, ils contraignent les flancs des tranchées. Ainsi, ces espèces provoquent le flambage du diélectrique lorsque le dépôt et donc les contraintes sont inégales sur ses deux flancs.
Figure 1-15 : Phénomène de flambage provoqué par des couches fluorocarbonées déposées sur les flancs [70]
Toutes ces distorsions de profil sont des phénomènes inhérents au fait de graver le matériau par plasma. Ils sont donc souvent difficiles à éviter. Un choix judicieux des paramètres plasmas (pression, gazes, débits…) permet cependant d‟ajuster les caractéristiques de la couche de passivation et ainsi de minimiser ces distorsions. Cependant, le profil recherché est légèrement oblique pour faciliter le remplissage du cuivre (1.II.3.2Chapitre 1). En effet, un mauvais remplissage des lignes de cuivre va entraîner des courts circuits ou du moins une fragilisation des lignes entrainant des problèmes de fiabilité qui peuvent provoquer des problèmes de défectivité.