Guide des cibles de pulvérisation cathodique : matériaux clés pour les circuits intégrés
Cibles de pulvérisation de haute pureté Il s'agit principalement de cibles métalliques ou non métalliques d'une pureté de 99,9 % à 99,9999 % (3N à 6N), utilisées dans le procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour la fabrication de composants électroniques. Ce sont des matériaux essentiels à la fabrication de puces de circuits intégrés, d'écrans plats, de cellules solaires photovoltaïques et d'autres films électroniques.
Le dépôt physique en phase vapeur (PVD) est une technique qui utilise des ions générés par une source ionique. Ces ions sont accélérés sous vide pour former un faisceau d'ions à haute vitesse qui bombarde la surface d'un matériau cible. L'échange d'énergie entre les ions incidents et les atomes présents à la surface de la cible provoque l'éjection de ces atomes du solide et leur dépôt sur un substrat. Cette technique est ainsi l'une des principales pour la préparation de matériaux en couches minces.
Le processus de fabrication des circuits intégrés impose des exigences strictes quant à la pureté des matériaux cibles, au contrôle des impuretés et des défauts, à l'uniformité de la taille et de l'orientation des grains, ainsi qu'à la précision du traitement ; il représente l'application la plus exigeante techniquement parmi toutes celles des matériaux cibles. Le développement de la technologie des matériaux cibles est étroitement lié aux progrès réalisés dans le domaine des films pour circuits intégrés.
Avec les progrès constants des technologies de fabrication de circuits intégrés, l'amélioration des performances des puces dépend de plus en plus du développement des technologies des matériaux et des technologies d'intégration des systèmes, ce qui conduit au développement continu de divers métaux de haute pureté, de nouveaux alliages et de films fonctionnels composés.
L'application de ces nouveaux matériaux joue un rôle crucial dans la fabrication de circuits intégrés présentant des vitesses de fonctionnement plus élevées, des performances accrues et une consommation d'énergie réduite. Actuellement, les matériaux cibles utilisés pour la fabrication de circuits intégrés comprennent principalement l'aluminium, le titane, le cuivre, le tantale et leurs alliages, ainsi que le cobalt, le nickel et… Cible en alliageet des cibles en métaux précieux, entre autres.
- Matériaux cibles en aluminium (Al) et ses alliages
L'aluminium (Al) de haute pureté et ses matériaux cibles en alliage ont les principales applications suivantes : dans les procédés à des nœuds technologiques supérieurs à 0,13 µm, ils sont principalement utilisés dans les procédés d'interconnexion métallique arrière de la fabrication de circuits intégrés ; dans les deux procédés CMOS planaires à des nœuds technologiques de 45 nm et 28 nm, ils servent de matériaux de fonction de travail dans les procédés de grille métallique à haute constante diélectrique, ajustant la tension de seuil des dispositifs ; À tous les niveaux technologiques, les plots en aluminium peuvent être utilisés dans la couche supérieure du métal, formant ainsi des connexions métalliques avec les circuits externes. Selon les exigences d'application, les matériaux cibles en aluminium et ses alliages comprennent principalement des variétés telles que l'aluminium pur 5N à 5N5 (99,999 % à 99,9995 %), l'Al-0,5 % Cu, l'Al-1 % Si et l'Al-1 % Si-0,5 % Cu. De plus, l'aluminium et ses alliages sont également utilisés dans les procédés d'encapsulation de puces, notamment l'aluminium pur 5N et 5N5, l'Al-0,5 % Cu et l'Al-4 % Cu.
- Matériau cible en titane (Ti)
Cible en titane (Ti) de haute pureté Des matériaux sont utilisés pour la pulvérisation cathodique PVD de couches minces de titane métallique de haute pureté. Pour les procédés à des nœuds technologiques supérieurs à 0,25 µm, le titane est généralement pulvérisé par la technologie PVD SIP (plasma auto-ionisé). Avec les progrès de la technologie des semi-conducteurs, la technologie PVD IMP (plasma métallique ionisé) est principalement employée pour les procédés à des nœuds technologiques de 0,18 µm et inférieurs. Grâce à son taux de couverture et sa vitesse de dépôt favorables, le titane est principalement utilisé pour les interconnexions globales en aval, notamment les interconnexions métalliques en aluminium pour les nœuds technologiques supérieurs à 0,13 µm, ainsi que pour les interconnexions locales des trous de contact à travers différents nœuds technologiques. Le titane et ses films de nitrure sont combinés pour servir de couches barrières d'interconnexion métalliques. Pour les nœuds technologiques de 45 nm et inférieurs, les nitrures de titane peuvent également servir de masques durs dans les procédés d'interconnexion métallique en cuivre en aval, permettant un contrôle précis des vias et des tranchées d'interconnexion. Pour les procédés de gravure supérieurs à 0,25 µm, le titane peut former des siliciures (TiSi) par dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour des applications auto-alignées dans les régions source-drain et grille, réduisant ainsi efficacement la résistance de contact. De plus, les cibles en titane sont utilisées dans les procédés d'encapsulation des puces. La pureté de ces cibles se situe généralement entre 4N5 et 5N (de 99,995 % à 99,999 %).
- Matériaux cibles en cuivre (Cu) et ses alliages
Dans le processus d'interconnexion des circuits intégrés à grande échelle, la miniaturisation croissante des nœuds technologiques accentue la faible résistance à l'électromigration et la sensibilité aux contraintes des fils d'aluminium, favorisant la formation de défauts de type vide et, par conséquent, la défaillance des circuits. Afin d'améliorer la conductivité et la fiabilité des interconnexions métalliques en aluminium, le cuivre a été progressivement adopté comme matériau d'interconnexion à partir du nœud technologique de 0,13 µm. Ce changement permet de miniaturiser et de densifier les dispositifs, tout en réduisant l'épaisseur des fils de cuivre et, ainsi, les interférences d'impédance entre les interconnexions. Cependant, la gravure du cuivre étant complexe, des procédés intégrés sont utilisés pour les interconnexions en cuivre, notamment la technologie Damascène. Ce procédé consiste à déposer par pulvérisation cathodique une couche barrière de diffusion et une couche d'amorçage de cuivre dans les rainures gravées, puis à remplir ces rainures de cuivre par électrodéposition, et enfin à obtenir une planarisation par polissage chimico-mécanique (CMP). La pulvérisation cathodique de la couche d'amorçage de cuivre requiert des cibles de cuivre de haute pureté. Avec la finesse croissante des pistes des circuits intégrés, et afin de réduire la contamination métallique due à la diffusion des atomes de cuivre, des cibles en alliage de cuivre contenant des traces d'aluminium (0,11 % en poids d'Al) et de manganèse (0,5 à 10 % en poids de Mn) sont sélectionnées en fonction de la conception du produit et des exigences du procédé. De plus, du cuivre phosphoré (CuP) est nécessaire comme anode pour le dépôt électrolytique de cuivre. Généralement, la pureté requise pour les cibles de cuivre de haute pureté est de 6N (99,9999 %) ou plus, tandis que la teneur en phosphore des anodes en CuP doit être comprise entre 400 et 650 ppm.
- Matériaux cibles en tungstène (W) et en alliage.
Tungstène de haute pureté (W) Le métal est principalement utilisé pour la réalisation des trous de contact des dispositifs logiques et des puces mémoire. Lorsque la largeur des lignes est relativement importante, le procédé de pulvérisation cathodique PVD peut être employé. Grâce aux progrès technologiques rapides, depuis la technologie 0,25 µm, les procédés de fabrication des dispositifs logiques ont pleinement adopté la technologie CVD, offrant des capacités de remplissage supérieures. Cependant, dans certaines applications mémoire, les exigences en matière de vitesse de fonctionnement sont moins critiques que pour les dispositifs logiques, et la largeur des lignes des trous de contact tend à être plus importante. On utilise donc encore la technique de pulvérisation cathodique PVD avec des cibles de tungstène de haute pureté pour le remplissage des films des trous de contact. Néanmoins, face aux exigences croissantes en matière d'interconnexions pour la mémoire tridimensionnelle, la technologie de remplissage des trous de contact pourrait évoluer vers des méthodes de dépôt CVD. Les cibles en alliage tungstène-titane (W-10 % en poids de Ti) peuvent être utilisées pour les couches barrières d'encapsulation ultérieures. Silicium tungstène (WSi) Les alliages peuvent servir de couches barrières de grille dans les structures empilées des grilles de mémoire. La pureté des matériaux cibles W et W en alliage est généralement supérieure à 5N (99,999 %).
