De l’importance de la microstructure du conducteur dans les lignes d’interconnexions

De nos jours, les domaines d’application des composants électroniques sont très étendus. C’est ainsi que l’on retrouve des circuits électroniques dans les industries militaires, ménagères, les industries des loisirs, l’automobile etc… Ces circuits pourront être utilisés pour la commande, la conversion d’énergie ou la logique par exemple

L’origine de la microélectronique remonte aux années 1950 avec la découverte de l’effet transistor par Shockley, Bardeen et Brattain [1, 2]. Un courant traversant une jonction NP polarisée en direct et une jonction PN polarisée en inverse, très proche l’une de l’autre, peut être modulé par la tension appliquée aux bornes de la jonction traversée en inverse . Il est alors possible d’obtenir un « interrupteur » intelligent commutable par un signal électrique. Cette découverte a permis le développement de l’électronique solide comme alternative aux tubes électroniques jusqu’alors utilisés. De nos jours, les fonctions logiques sont basées sur l’intégration de transistor MOS (Métal Oxyde Semiconducteur) dont la faisabilité a été démontrée plus tard, en 1960 [3]. Ce type de transistor doit son nom à l’empilement de matériaux situé au niveau de sa grille : le contact en Metal, l’isolant, initialement en Oxyde de silicium et enfin le substrat Semiconducteur. Ici, la fonction de commutation est assurée par un effet de champ au niveau de la grille ; la tension appliquée entre le métal de grille et le substrat va permettre la création ou non d’un chemin de conduction entre la source et le drain du transistor .

L’apparition de ces composants électroniques, plus petits et plus fiables que les tubes, est le premier maillon permettant la miniaturisation des circuits. C’est ainsi que Feynman en 1960 dans son célèbre discours « There’s Plenty of Room at the Bottom » [5] décrit une miniaturisation de tous systèmes jusqu’à un facteur de 25000 et décrit certaines techniques utilisées en microtechnologie. D’une façon plus pragmatique, Gordon Moore a établi une loi empirique sur l’augmentation du nombre de composants dans un circuit intégré en fonction du temps [6]. Le principe de cette loi, connue sous le nom de « loi de Moore », repose sur les avantages essentiellement économiques d’une électronique intégrée par rapport à une électronique conventionnelle basée sur des composants isolés. Elle décrit que le nombre de composants intégrés dans une puce électronique est multiplié par un facteur 2 tous les ans. Cette loi a été révisée en 1975 en une version où le nombre de transistors intégrés dans un microprocesseur double tous les deux ans [7]. D’un point de vue des réalisations, si l’on regarde le nombre de transistors par circuits intégrés pour le fabricant Intel depuis 1971, on s’aperçoit que ce nombre suit bien la révision de la loi de Moore de 1975 .

La loi de Moore est fortement liée aux dimensions des transistors intégrés. Elle ne prend pas directement en compte les considérations géométriques. Cependant, pour diminuer le temps de commutation des transistors MOS, il faut diminuer leur longueur de grille qui correspond à la longueur parcourue par les électrons entre le drain et la source. Cette réduction s’accompagne d’une miniaturisation générale de ces composants. Cela va dans le sens de la loi de Moore, car si la taille des transistors n’avait pas évolué depuis 1971, la taille d’une puce serait environ 400000 fois plus grande de nos jours. Une feuille de route est définie concernant l’évolution des dimensions dans les circuits. Cette référence est établie par l’ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) en partenariat avec de nombreux acteurs de cette industrie (industriels, partenaires académiques et instituts de recherche) pour assurer des avancées dans ce domaine en limitant les risques financiers qui lui sont liés [8]. La longueur de référence dans les circuits logiques, la longueur de grille, fait l’objet d’une attention particulière depuis des années son évolution est programmée.

Le domaine des interconnexions n’échappe pas à ces programmations et à ces évolutions. Ainsi, on va suivre la réduction de la largeur des lignes métalliques dans les circuits. Par exemple, la largeur des lignes métalliques est passée de 230 nm à 59 nm entre 1999 et 2008 [8].

Interconnexions dans les circuits 

Alors que dans un circuit, la partie active qui permet d’obtenir un signal électrique est assurée par les transistors, le signal est transmis entre les différentes fonctions par des interconnexions. Ces interconnexions sont composées d’un réseau de lignes métalliques séparées entre elles par un isolant. Les lignes de deux niveaux devant être connectées sont reliés par des vias.

Dans le cas de niveaux multiples d’interconnexions, plusieurs familles peuvent être distinguées :
– Les interconnexions locales. Ce sont les premiers niveaux métalliques qui connectent directement les transistors. Ces interconnexions ont les dimensions les plus critiques.
– Les interconnexions intermédiaires. Ce sont généralement les deux ou trois premiers niveaux d’interconnexions. Elles sont généralement assez courtes et permettent de générer des fonctions de base
– Les interconnexions globales. Ce sont les niveaux supérieurs d’interconnexions qui relient les différentes fonctions électroniques entre elles. Ces interconnexions ont des dimensions plus importantes et peuvent traverser la puce sur toute sa longueur.

Idéalement, les interconnexions devraient transmettre un signal sans distorsion, sans consommer de puissance (échauffement…) et sans délai. Ces propriétés ne sont pas atteignables du fait des propriétés des matériaux qui les composent. Ainsi, on est soumis à une chute de tension dans les interconnexions qui peut perturber le passage du signal électrique d’un transistor à un autre. En première approximation, cette chute de tension est proportionnelle à la résistance Relec de la ligne définie en (1. 1) en fonction de la largeur de ligne w, de sa hauteur h, de sa longueur l et de la résistivité du conducteur utilisé ρ.

Réalisation technologique d’interconnexions – procédé Damascène 

Le cuivre est un matériau qu’il est difficile de mettre en forme par des méthodes classiques utilisées en microélectronique. En effet, il n’existe pas d’espèce halogénée de cuivre suffisamment volatile pour permettre sa gravure par des technologies standard. Il est donc intégré d’une autre façon, par le procédé dit « Damascène ».

Ce procédé ne consiste plus à déposer un métal que l’on va mettre en forme, mais à remplir des motifs en place avec ce métal . Dans un premier temps, on dépose le diélectrique interligne sur une surface planarisée . Le motif que l’on cherche à réaliser est alors transmis sur le diélectrique dans une résine par un procédé de photolithographie. Le diélectrique est gravé . L’étape suivante consiste au dépôt d’une barrière à la diffusion du cuivre dans le diélectrique. Ce dépôt est généralement enchaîné avec le dépôt d’une couche conductrice de cuivre qui va servir de cathode lors de la croissance électrochimique du cuivre . Ce dépôt est en suite pratiqué . Ce dépôt laisse un surplus de cuivre que l’on appellera dans le reste du document la surépaisseur de cuivre. Les tranchées peuvent être recuites par la suite afin d’obtenir une croissance de grain. Le surplus de cuivre est retiré par une étape de polissage mécano chimique . Les différentes couches de métal pouvant se trouver entre deux lignes adjacentes sont alors retirées pour supprimer les risques de fuites de courant Le cuivre est ensuite encapsulé par une couche diélectrique pouvant servir de barrière à la diffusion pour qu’il ne contamine pas les niveaux supérieurs . Ce procédé peut être amélioré pour permettre de réaliser en une seule fois la ligne et le via. Ce procédé, appelé double Damascène, est actuellement intégré dans les lignes de productions industrielles .