Métallisation

1.4.4.1 Dépôt de la barrière métallique

Après avoir réalisé les étapes de gravure et de nettoyage, une barrière métal- lique est déposée sur la structure, dont le rôle est d’empêcher la diffusion du cuivre dans les diélectriques. Cette barrière doit remplir un certain nombre de critères :

– être parfaitement conforme et continue ; – adhérer aux diélectriques et au cuivre ; – avoir la plus faible rugosité possible ; – être la plus fine possible ;

– présenter la plus faible résistivité possible.

Obtenir une barrière présentant toutes ces caractéristiques est difficile. Actuel- lement les barrières métalliques à la diffusion du cuivre sont en TaN/Ta. La couche de TaN permet d’obtenir une bonne adhérence sur le matériau low-k ; on dépose ensuite une couche de Ta métallique avec une résistivité plus faible et une bonne adhérence avec le cuivre. Le dépôt est réalisé par PVD, mais cette technique atteint aujourd’hui ses limites en matière de conformité.

Pour parer à ce problème de conformité, on envisage de déposer la barrière par CVD ou ALD (Atomic Layer Deposition) [Bes04]. Ces techniques permettent

d’obtenir des dépôts plus conformes et plus fins. Néanmoins, les précurseurs de la barrière sont des organométalliques qui peuvent diffuser dans les matériaux po- reux et conduire à des courants de fuite plus importants et une baisse du champ de claquage du diélectrique [Pos05a, Dar07a, Pos08].

1.4.4.2 Remplissage cuivre

Le remplissage des lignes de cuivre s’effectue en deux étapes. On dépose une première couche fine de cuivre par PVD sur la couche barrière pour tapisser l’inté- rieur de la structure à remplir. Elle joue le rôle de couche d’accroche (appelée seed

layer en anglais), et sert de cathode pour le remplissage du cuivre qui s’effectue

par voie électrochimique [Car08].

Le remplissage du cuivre doit être parfaitement complet et ne doit en aucun cas laisser de vide (void en anglais) à l’intérieur de la structure. Le dépôt de la couche d’accroche est donc une étape critique permettant d’atteindre un remplis- sage complet de la structure (figure 1.21) [Hau06]. En effet, une couche d’accroche trop fine entraîne des discontinuités sur les flancs des structures et peut conduire à la formation de vide en fond de structure. Au contraire, si la couche d’accroche est trop épaisse, un excès de métal se forme au niveau des coins supérieurs de la structure et il peut apparaître un « pincement » au sommet de la structure (pinch

off en anglais) ; lors du remplissage le motif se referme avant d’être complètement

rempli, laissant un vide au centre de la structure. Le cas idéal est donc un dépôt fin parfaitement conforme. Pour éviter tout risque de formation de vide dans la struc- ture pendant le remplissage par voie électrochimique, on se place dans un mode de croissance dit super-conforme (superfill en anglais), qui favorise le remplissage du fond de la structure. Il est intéressant de noter que l’on s’efforce généralement à avoir une légère pente dans le diélectrique lors de l’étape de gravure pour favoriser un bon remplissage du cuivre et éviter les problèmes de formation de cavités.

Cuivre Barrière métallique

couche d'accroche trop fine couche d'accroche trop épaisse couche d'accroche conforme

Figure 1.21 – Problématique du dépôt de la couche d’accroche de cuivre par PVD.

1.4.4.3 Effet de la miniaturisation sur la structure cuivre/barrière métallique

La réduction des dimensions des lignes d’interconnexions se traduit par une augmentation de leur résistance (cf. équation 1.3). Cette augmentation de la ré- sistance des lignes peut néanmoins être atténuée en diminuant l’épaisseur de la

couche de barrière à la diffusion actuelle en TaN/Ta. En effet, la barrière métal- lique TaN/Ta a une résistivité plus élevée que celle du cuivre, la conduction s’ef- fectue donc principalement dans le cuivre. On envisage actuellement le passage d’une barrière déposée par PVD, à une barrière plus fine déposée par CVD ou ALD comme nous l’avons mentionné précédemment [Bes04].

Mais la réduction des dimensions des lignes se traduit également par une aug- mentation de la résistivité du cuivre (figure 1.22) [ITR09]. En effet, lorsque les di- mensions des lignes conductrices deviennent de l’ordre de grandeur du libre par- cours moyen des électrons — de l’ordre de 40 nm dans le cuivre à température ambiante —, des effets de confinement des électrons apparaissent et tendent à augmenter la résistivité du matériau. Cette augmentation a principalement deux contributions [Ste05, Hau06, Maî06] :

– les effets de diffusion et de réflexion des électrons au niveau des joints de grains ;

– les effets de diffusion et de réflexion des électrons au niveau des flancs et fonds de lignes.

Pour limiter cette augmentation de la résistivité du cuivre, il faut d’une part réduire le nombre de joints de grain dans la structure du cuivre ; et d’autre part minimiser la rugosité des lignes de cuivre. D’importants efforts sont actuellement menés sur la métallurgie du cuivre pour minimiser la contribution des joints de grains à l’augmentation de la résistivité [Car08]. Le contrôle de la rugosité des lignes de cuivre est également une thématique de recherche importante. Cette rugosité apparaît au niveau des diélectriques lors des étapes de gravure puis est transférée dans la structure barrière métallique/cuivre.

Isolant Cu e- e- (a) Résistivité du matériau massif Flancs Joints de grains 10 100 1000 0 1 2 3 4 5 R é si st iv ité ( µ .c m ) Largeur de ligne (nm) Ω. (b)

Figure 1.22 – (a) Réflexion et diffusion des électrons aux joints de grains et aux

flancs de lignes. (b) Évolution de la résistivité du cuivre en fonction de la largeur de ligne [ITR09].