Etude de diélectriques à faible permittivité destinés à l'isolation des niveaux d'interconnexions de circuits intégrés de haute densité

par Fabrice Pires

Thèse de doctorat en Matériaux polymères et composites

Sous la direction de Michel Papapietro.

Soutenue en 1999

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) , en partenariat avec LMM - Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires (Lyon; INSA) (laboratoire) et de LPCI - Laboratoire de Physico-Chimie Industrielle (Lyon, INSA) (laboratoire) .

mots clés

• Silicium
• Fluoration
• Diélectriques
• Dépôt chimique en phase vapeur
• Dépôt chimique en phase vapeur activé par plasma

Résumé

Ce mémoire présente l'étude de matériaux isolants à faible permittivité destinés à être utilisés dans les interconnexions des circuits intégrés. Trois matériaux ont été particulièrement évalués : a) l'oxyde de silicium fluoré (SiOF) déposé par PECVD et HDPCVD, b) le méthyl-silsesquioxane (MSQ) déposé par centrifugation de solution, c) l'hydrogènesilsesquioxane (HSQ) déposé aussi par centrifugation de solution. Dans le cas du SiOF, il a été démontré que la stabilité du matériau augmentait avec la densité et diminuait avec. Le taux en fluor. Ainsi, la stabilité du matériau ne peut être réalisée que pour une permittivité relative supérieure à 3,6, ce qui reste élevé. Dans le cas du MSQ la stabilité thermique a été vérifiée mais le matériau se dégrade dans des solutions basiques de retrait résine et dans des plasmas oxydants. De nouveaux procédés limitant la dégradation ont été étudiés mais l'amélioration reste encore insuffisante. Enfin dans le cas du HSQ, nous avons montré que les procédés de gravure et de nettoyage déjà mis au point pour le MSQ donnaient un résultat totalement satisfaisant et permettaient de conserver au HSQ sa faible permittivité (3,0). Parallèlement à ces études, une modélisation moléculaire a permis de préciser les mécanismes à l'origine è , 1' abaissement de la permittivité des silsesquioxanes. Enfin, l'aptitude du matériau à être intégré dans une structure d'interconnexions a été validée, et le transfert du procédé vers l'unité de production réalisé.

Résumé

This work presents a study of materials with low permittivity for the insulation of interconnections of integrated circuits. Three materials have been particularly evaluated: a) the fluorinated silicon oxide (SiOF) deposited by PECVD and HDPCVD, b) the methyl-silsesquioxane (MSQ) deposited by spincoating, and c) the hydrogensilsesquioxane (HSQ) also deposited by spin-coating. In the case of SiOF, we have demonstrated that the material stability increases with the density and decreases with the fluorine concentration. So the material stability can be obtained only for a relative permittivity above 3. 6, which is too high. In the case of MSQ, the thermal stability has been checked but the material is degraded by the basic solutions of stripping processes or by the oxidative plasmas. So new processes inducing less degradations have been developed but the improvements remain insufficient. Finally for HSQ, we have proved that etching and stripping processes previously optimized with the MSQ give good results, and allow to conserve the low permittivity of HSQ (3. 0). Moreover a molecutar simulation study has allowed to precise the mechanisms explaining the reduction of silsesquioxane permittivities. In conclusion, the ability of the material to be integrated in interconnection structures has been demonstrated, and the process transferred to the production unity.