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JTEKT Thermo Systems (anciennement Koyo Thermo Systems) fabrique différents types de fours pour le recuit du cuivre ou des couches de cuivre selon la technique damasquinée. Le processus est décrit en détail et les différents fours de recuit, y compris le RTP, sont comparés.

Dans la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs, les lignes et les vias en cuivre sont de plus en plus utilisés à la place de l'aluminium, bien que le risque de contamination métallique soit beaucoup plus élevé, que l'adhérence aux parois des diélectriques soit moins bonne et que la résistance à la corrosion du cuivre soit faible. Cependant, la conductivité du cuivre est beaucoup plus élevée, ce qui est un facteur important pour les dispositifs à haute intégration. La résistance à l'électromigration est plus élevée pour le cuivre.

Dans la fabrication de puces, l'utilisation de conducteurs en cuivre se répand progressivement pour remplacer l'aluminium, malgré le risque accru de contamination par le cuivre, la moindre adhérence aux diélectriques et une corrosion plus importante. Le cuivre présente une conductivité nettement supérieure, ce qui est déterminant lors de la réduction des dimensions des structures en fabrication de puces. L'effet d'électromigration est nettement plus faible pour le cuivre que pour l'aluminium.

Le cuivre est généralement déposé selon la technique dite damasquinée. La méthode tire son nom d'une technique utilisée autrefois à Damas pour fabriquer des épées composées de nombreuses couches métalliques.

Une barrière de diffusion, éventuellement une couche d'arrêt de gravure et un diélectrique isolant sont d'abord déposés sur le silicium. Ensuite, les tranchées pour les conducteurs et les trous de contact sont gravés. Une couche d'amorçage en cuivre est ensuite déposée. Tant les couches destinées à éviter la diffusion, généralement constituées de nitrure de titane, de tantale ou de nitrure de tantale, que les couches d'amorçage en cuivre sont déposées par pulvérisation (sputtering). Enfin, les tranchées et les trous sont remplis électrolytiquement avec du cuivre en une seule opération. Le cuivre croît de manière polycristalline. La taille des grains individuels varie et dépend de la surface du substrat, des conditions de croissance et de la taille des structures des conducteurs ou des trous de contact.

Pour améliorer et stabiliser les propriétés de la couche de cuivre, un recuit du Cu est absolument nécessaire. Ensuite, le cuivre qui a dépassé les bords des tranchées est éliminé par un procédé de polissage chimico‑mécanique (CMP).

L'ensemble du processus de recuit est répété jusqu'à 8 fois, permettant de créer des réseaux d'interconnexion multicouches.

La dernière étape consiste en la passivation de la couche supérieure de cuivre par nitrure de silicium.

Le recuit a plusieurs effets sur la couche de cuivre :

1) Croissance des grains

Dans les petites structures sans recuit, les grains sont nettement plus petits que dans les zones présentant des structures de conducteurs plus larges. En augmentant la taille des grains, la conductivité du matériau augmente. Une structure dite « en bambou » se forme : les grains atteignent une taille correspondant à la largeur du conducteur. Dans le conducteur, un grain suit le suivant. Cette croissance des grains, connue sous le nom d'auto‑recuit, se produit déjà à température ambiante, mais elle n'est pas contrôlée, pas aussi uniforme que souhaité et dépend de la largeur du conducteur. Un recuit est donc recommandé.

2) Relaxation des contraintes

Relaxation du matériau : une stabilisation de la microstructure se produit. Les dislocations sont réduites et l'énergie d'interface des grains adjacents diminue. La croissance structurée des parois latérales le long des plans cristallins 111 est réduite et l'on évite que le cuivre se rétracte ultérieurement des trous de contact ou se détache de la paroi. Le coefficient de dilatation thermique différent du cuivre et du diélectrique favorise un tel détachement de paroi. Le recuit peut prévenir les défaillances des composants liées à ces phénomènes.

3) Réduction des effets d'électromigration

L'électromigration désigne le déplacement d'atomes de cuivre dans le sens du courant causé par un fort mouvement d'électrons. Cet effet apparaît aux étranglements, de préférence dans les trous de contact, et peut, dans les cas extrêmes, conduire à la rupture du contact à l'étranglement. Les conducteurs présentant une structure en bambou, où les joints de grains parallèles à la direction du courant font défaut, montrent une résistance accrue à l'électromigration.

Four propre CLH

La méthode la plus simple de recuit du cuivre consiste à utiliser un four à convection propre avec filtre HEPA intégré. Les fours JTEKT CLH sont chargés manuellement avec des cassettes métalliques. Un transfert vers les cassettes métalliques est nécessaire. Le four convient pour des températures entre 100 et 450 °C et fonctionne avec un gaz inerte (azote).

La uniformité de température est d'env. +/- 5 °C ; classe de salle propre 100. Le four CLH peut contenir jusqu'à 8 cassettes pour plaquettes de 200 mm. La capacité maximale est donc de 200 plaquettes. Le four est disponible avec différents contrôles. Une description détaillée du four CLH se trouve sur une page dédiée.

Station de four propre automatisée JTEKT SO2

Station de four propre automatisée JTEKT SO2, adaptée aux plaquettes de 300 mm. Il s'agit d'un four propre basé sur le type CLH, combiné à une station de chargement automatique.

Deux stations FOUP de chargement et de déchargement assurent le chargement automatique des plaquettes de 300 mm. La capacité est conçue pour 50 plaquettes. Ainsi, le processus de recuit peut être effectué de manière entièrement automatique et économique. Plus de détails sur notre page des fours box.

Four vertical (p. ex. VF-5300)

Une méthode plus élégante pour le recuit du cuivre est l'utilisation d'un four vertical. Dans ce cas, les performances du processus sont nettement meilleures. On peut atteindre une uniformité de température meilleure que +/-1 °C ainsi qu'une pureté de procédé nettement améliorée. Une atmosphère spéciale, par ex. un gaz formant, peut être utilisée. Les coûts de l'installation sont plus élevés, mais restent acceptables au regard des propriétés de procédé améliorées.

Grâce à l'utilisation d'éléments chauffants LGO à très faible masse thermique, une température de recuit d'environ 200 °C ne pose pas de problème pour ces fours. Ces chauffages sont bien contrôlables dès 130 °C. Des études ont montré qu'à 200 °C des temps de recuit de 30 à 60 minutes suffisent pour obtenir les améliorations souhaitées des propriétés de la couche de cuivre. Il existe à la fois des versions plus petites pour la recherche et le développement et des installations de production de masse économiques. Détails sur notre page des fours verticaux.

RTP (Rapid Thermal Processing)

Les installations RTP JTEKT 3106, 3108 et 3312 peuvent également être utilisées pour le recuit des couches de cuivre. Des bancs de lampes avec lampes croisées au‑dessus et en dessous de la plaquette assurent un chauffage efficace, rapide et uniforme des plaquettes. En raison de la faible masse thermique de la configuration, un refroidissement très rapide a également lieu.

Avec un chauffage et un refroidissement rapides des substrats, des temps de recuit de 45 s peuvent produire un effet similaire à un recuit de 30 minutes en four. Le budget thermique est plus faible avec la technologie RTP, mais le débit est seulement d'environ 1/2 à 1/4 de celui du traitement en batch dans un four vertical en raison du traitement mono‑plaquette. Une atmosphère spéciale, par ex. un gaz formant, peut être utilisée. Des installations RTP à lampes sont disponibles pour des tailles de plaquettes entre 150 mm et 300 mm.

Les quatre types d'installations décrits pour le recuit sont utilisés en pratique. Il s'est avéré que les conditions les plus favorables pour obtenir de bonnes propriétés électriques et un rendement élevé de dispositifs fonctionnels sont des recuits plus longs (45 s en RTP, ou 30 min au four) à la température la plus basse possible (<200 °C). Il convient de noter que le recuit dans les structures plus petites nécessite plus de temps que dans les structures plus grandes.

À des températures plus élevées (400 °C), le recuit RTP est plus efficace que le recuit au four, toutefois, il faut alors accepter d'autres inconvénients tels que l'augmentation de la rugosité de surface du cuivre. La présence d'hydrogène lors du recuit peut nuire à la rugosité de surface. À des températures élevées, la probabilité de rétraction du matériau depuis les trous de contact augmente. Les diélectriques low‑k peuvent perdre partiellement leurs propriétés d'isolation spéciales à des températures supérieures à 250 °C. Les effets d'électromigration s'intensifient de nouveau à des températures de recuit plus élevées. De plus, le risque de diffusion du cuivre dans des zones indésirables augmente.

Le choix de la méthode dépend des exigences du client en matière de caractéristiques du procédé et d'automatisation. Nous sommes à votre disposition pour vous conseiller.

Veuillez nous contacter si vous souhaitez davantage d'informations sur le recuit du cuivre ou sur nos fours. Des essais avec nos fours peuvent être effectués dans notre laboratoire d'applications à Tenri.