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Damascène vs gravure soustractive : les différences d’interconnexion

Pour les interconnexions formées par gravure (procédé soustractif), on dépose une couche de métal sur toute la surface, on enlève les parties inutiles par gravure sèche à l’aide d’un motif de résine, puis on comble les espaces entre les lignes restantes avec un isolant ; c’est ainsi qu’on a longtemps réalisé les interconnexions en aluminium. Le procédé damascène procède dans l’ordre inverse : on grave d’abord des tranchées dans l’isolant, on les remplit de métal, puis on enlève le métal excédentaire par CMP. Le cuivre forme difficilement des composés volatils et se grave mal à sec : le procédé damascène est donc devenu la norme pour les interconnexions en cuivre. Pour les lignes les plus fines, on étudie aussi la formation par gravure de métaux comme le ruthénium.

CritèreProcédé damascèneInterconnexion formée par gravure (procédé soustractif)
Ordre des étapesDépôt de l’isolant → gravure des tranchées et des trous de via → métal barrière et couche d’amorçage → dépôt électrolytique de cuivre → élimination de l’excédent par CMPDépôt du film métallique → lithographie → gravure sèche du métal → remplissage des espaces entre lignes par un isolant et planarisation
Ce qui est gravéL’isolantLe film métallique
Métal principalCuivre (Cu)Aluminium (alliage Al-Cu). Le ruthénium, entre autres, est étudié pour les lignes les plus fines
Remplissage par le métalLes tranchées sont remplies par dépôt électrolytique. Dans les tranchées étroites, remplir sans cavité (void) est un défiIl suffit de former un film plan, par exemple par pulvérisation
Remplissage par l’isolantL’isolant est d’abord déposé à plat, ce qui pose peu de problèmesIl faut combler sans cavité les espaces étroits entre les lignes avec un isolant (on a utilisé notamment le HDP-CVD)
CMPIndispensable. Elle enlève le cuivre et le métal barrière hors des tranchées et sépare les lignes les unes des autresPas utilisée pour mettre le métal en forme. Sert à planariser l’isolant
Couche barrièrePour empêcher la diffusion du cuivre, le fond et les flancs de la tranchée sont recouverts de TaN/Ta, etc. Dans les lignes fines, elle occupe une part plus grande de la sectionAvec l’aluminium, la diffusion pose peu de problèmes ; on empile des films comme Ti/TiN au-dessus et au-dessous
Réalisation des viasEn double damascène, les tranchées de lignes et les vias sont remplis en même temps et finis par une seule CMPLes vias sont ouverts dans une étape distincte, remplis de tungstène, etc., et planarisés par CMP avant de réaliser la couche d’interconnexion suivante
Défis pour les lignes finesQuand les lignes s’affinent, la résistivité du cuivre augmente (effet de taille) et la part de la couche barrière croîtLa précision de la gravure de lignes métalliques fines et le remplissage par un isolant des espaces entre les lignes

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

Procédé damascène
Pour réaliser des interconnexions en cuivre : interconnexions multicouches des LSI avancés, qui exigent des lignes de faible résistance et résistantes à l’électromigration.
Interconnexion formée par gravure
Pour réaliser des interconnexions en aluminium : produits ayant peu de niveaux d’interconnexion ou des lignes relativement larges. Pour les lignes les plus fines, elle est étudiée comme méthode utilisant le ruthénium, entre autres.
Tendance
Les LSI avancés actuels réalisent la majeure partie de leurs interconnexions par double damascène en cuivre. Pour les niveaux les plus fins, la formation par gravure est réexaminée, avec des métaux dont la résistance augmente moins et qui permettent d’amincir la couche barrière.

Questions fréquentes

Pourquoi le cuivre se grave-t-il difficilement à sec ?

Parce que les composés de cuivre formés par réaction avec les gaz de gravure comme le chlore sont peu volatils et restent en surface aux alentours de la température ambiante. À haute température, on pourrait les volatiliser, mais la résine, entre autres, ne le supporterait pas, ce qui rend toute mise en forme pratique difficile. C’est pourquoi le cuivre est déposé dans des tranchées et mis en forme par CMP.

Qu’est-ce que le procédé double damascène ?

C’est une méthode qui crée dans l’isolant à la fois les tranchées des lignes et les trous des vias reliant au niveau inférieur, les remplit simultanément par un seul dépôt électrolytique de cuivre et les finit par une seule CMP. Elle demande moins d’étapes que le simple damascène, qui réalise séparément tranchées et vias.

D’où vient le nom « damascène » ?

De la damasquinure, une technique décorative qui consiste à graver des sillons dans une surface métallique et à y incruster un autre métal. Le nom a été choisi parce que l’étape qui remplit de métal les tranchées de l’isolant ressemble à cette technique.

Va-t-on revenir aux interconnexions formées par gravure ?

Pas entièrement. Les niveaux de lignes larges continueront d’être réalisés par damascène en cuivre. Pour les niveaux de très faible largeur de ligne, la hausse de la résistivité du cuivre et l’épaisseur de la couche barrière posent problème, et l’on étudie donc la mise en forme par gravure de métaux comme le ruthénium.

Vérifier vos connaissances

Quelle description du procédé damascène, couramment utilisé pour former les interconnexions en Cu, est correcte ?

  1. ALe film de Cu est directement structuré par gravure sèche
  2. BDes tranchées sont formées dans l'isolant, remplies de Cu, et le Cu excédentaire est retiré par CMP
  3. CLa forme des interconnexions est obtenue par oxydation thermique du Cu
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Réponse : B. Des tranchées sont formées dans l'isolant, remplies de Cu, et le Cu excédentaire est retiré par CMP

Dans le procédé damascène, on grave d'abord dans l'isolant des tranchées ayant la forme des interconnexions, on dépose par pulvérisation la couche barrière et la couche d'amorçage de Cu, puis on remplit de Cu par électrodéposition. Enfin, la CMP retire le Cu et la barrière excédentaires en surface, ne laissant les interconnexions que dans les tranchées. Le nom vient de l'art de la damasquinerie de l'ancienne Damas, qui consiste à incruster de l'or ou de l'argent dans des sillons gravés dans le métal. La méthode qui remplit en une fois tranchées et vias est appelée procédé double damascène.

Comment appelle-t-on la méthode qui remplit simultanément de Cu les tranchées et les vias, puis les forme en une seule CMP ?

  1. AProcédé simple damascène
  2. BProcédé d'etch-back
  3. CProcédé double damascène
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Réponse : C. Procédé double damascène

Dans le procédé double damascène, on forme dans l'isolant à la fois les trous de via et les tranchées par lithographie et gravure, puis on remplit l'ensemble par la couche barrière, la couche d'amorçage et l'électrodéposition de Cu, et on termine par une seule CMP. Par rapport au procédé simple damascène, qui réalise vias et interconnexions séparément, il économise une étape de dépôt, d'électrodéposition et de CMP, et ne crée pas d'interface barrière entre via et interconnexion, ce qui est avantageux en résistance et en fiabilité. Les variantes se distinguent selon que l'on ouvre d'abord les trous ou les tranchées.

Quelle est la principale raison pour laquelle l'aluminium (Al) a été remplacé par le cuivre (Cu) comme matériau d'interconnexion des LSI avancés ?

  1. ASa résistivité est plus faible et sa résistance à l'électromigration plus élevée
  2. BIl est facile à usiner par gravure sèche
  3. CSon adhérence à l'oxyde est très élevée et il ne nécessite pas de couche barrière
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Réponse : A. Sa résistivité est plus faible et sa résistance à l'électromigration plus élevée

Le Cu a une résistivité d'environ 1,7 µΩ·cm, soit environ 60 % de celle de l'Al (environ 2,7 µΩ·cm), ce qui réduit le délai d'interconnexion et la consommation ; son point de fusion élevé rend ses atomes moins mobiles, et sa résistance à l'électromigration est supérieure d'un ordre de grandeur ou plus. IBM a annoncé sa production en volume en 1997, et il s'est imposé vers la génération 0,13 µm. En revanche, le Cu forme difficilement des composés volatils, ce qui rend la gravure sèche difficile, et il diffuse facilement dans les isolants ; il est donc formé par procédé damascène et entouré d'une couche barrière en Ta, TaN, etc.

  1. Quel est le principal objectif d'une barrière métallique en Ta, TaN, etc. dans les interconnexions en Cu ?
  2. Quel avantage des métaux comme le ruthénium (Ru), étudiés comme matériaux d'interconnexion fine en remplacement du Cu, est correct ?
  3. Pourquoi le CMP des interconnexions en Cu est-il généralement réalisé en plusieurs étapes ?

Questions d'entraînement sur Procédés d'interconnexion

Termes clés expliqués

Procédé damascène
Méthode de formation des interconnexions consistant à creuser des tranchées dans l'isolant, à les remplir de métal puis à retirer l'excédent par CMP. Utilisée pour les interconnexions Cu.
Procédé double damascène
Procédé qui forme les tranchées des lignes et les trous des vias dans l'isolant, les remplit simultanément de Cu et les finit par une seule CMP. Il réduit le nombre d'étapes.
CMP
Polissage mécano-chimique. Combine l'action chimique de la suspension (slurry) et le polissage mécanique du tampon pour planariser la surface de la plaquette.
Barrière métallique
Film métallique mince entourant les interconnexions en cuivre pour empêcher la diffusion du cuivre dans l'isolant ou le silicium. Par exemple Ta ou TaN.
Électromigration
Déplacement des atomes métalliques d'une interconnexion sous l'effet du courant. Il crée des cavités (voids) et des excroissances (hillocks), causes de coupures et de courts-circuits.

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