Способ изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Емельянов Виктор Андреевич Емельянов Антон Викторович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Способ изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов, включающий формирование на полупроводниковой пластине полиимидной пленки, формирование фоторезистивной маски, формирование топологического рисунка в полиимидной пленке, удаление фоторезистивной маски путем обработки структур в растворе, содержащем воду и моноэтаноламин, при температуре не выше 30 С, напыление пленки металла,формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку, отличающийся тем, что при удалении фоторезистивной маски через раствор барботируют газовую смесь, содержащую 0,1-1,5 об.озона. Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов ИС и дискретных полупроводниковых приборов. Повышение сложности полупроводниковых приборов предъявляет повышенные требования к различным структурным элементам, в частности к качеству системы металлизации. Одним из направлений повышения качества системы металлизации является использование полиимидных материалов в качестве межуровневого диэлектрика. Наибольшее распространение среди них получили пленки на основе полипиромеллитимида. Отличительной особенностью получения этих пленок является использование в качестве исходного материала полиамидокислоты (ПАК), которая в результате термообработки превращается в полиимид. Процесс имидизации полиамидокислоты, т.е. превращение ее в полиимид, сопровождается выделением значительного количества воды, которая приводит к ухудшению электрофизических свойств полученной пленки. Химическая инертность полиимида по отношению к соседним слоям является причиной неудовлетворительной адгезии формируемой на ней системы межсоединений на основе алюминия. Выбор режимов обработки пленки полиимида существенным образом влияет на адгезию формируемой на ней пленки металла, служащей для формирования межсоединений. 15742 1 2012.04.30 Известен способ создания системы металлизации полупроводниковых приборов,включающий нанесение полиамидокислоты на кремниевую пластину с активными областями, термообработку при температуре 120 С в течение 15 минут, нанесение металлического слоя на основе алюминия и формирование рисунка межсоединений 1. Недостатком способа является то, что нанесенный на полиимидную пленку металлический слой на основе алюминия при формировании рисунка межсоединений с размерами токоведущих дорожек шириной менее 20 мкм отделяется от поверхности полиимидной пленки вследствие низкой адгезии и приводит в негодность изготавливаемую структуру. Известен также способ изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов, включающий нанесение пленки полипиромеллитамидокислоты на полупроводниковую пластину, частичную имидизацию полученной пленки путем термообработки при температуре 200 и 275 С в течение отрезков времени 20-30 минут, нанесение металлической пленки на основе алюминия, окончательную имидизацию полипиромеллитамидокислоты при температуре 350 С в течение 20 минут и формирование рисунка межсоединений 2. Недостатком данного способа является то, что окончательное отверждение полиамидокислоты в полиимид проводится непосредственно после нанесения металлической пленки, которая препятствует испарению выделяющейся при этом имидизационной воды. Пары воды приводят к коррозии металлической пленки и ухудшению электрофизических характеристик полученной изоляции. Известен также способ изготовления системы металлизации интегральных схем,включающий нанесение на полупроводниковую пластину слоя полиамидокислоты, полную имидизацию полученной пленки в полиимид, формирование фоторезистивной маски,формирование топологического рисунка в пленке полиимида, удаление фоторезистивной маски, обработку поверхности полиимидной пленки сначала в растворе щелочи, а затем в растворе кислоты, нанесение металлической пленки, формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку 3. Последовательная обработка сначала в растворе щелочи, а затем в растворе кислоты служит для восстановления поверхностного слоя полиимидной пленки в полиамидокислоту. На первом этапе при обработке в растворе щелочи образуются соли полиамидокислоты (первая стадия гидролиза полиимида), которые при последующей обработке в растворе кислоты путем замещения катионов на атом водорода (вторая стадия гидролиза) превращаются в полиамидокислоту. Полиамидокислота вступает в реакцию с формируемой на ней пленкой металла с образованием химической связи между ними, чем достигаются высокие значения адгезионной прочности. Непрореагировавшая полиамидокислота при последующей термообработке снова превращается в полиимид. Рассматриваемая последовательность технологических операций позволяет получать высококачественную систему металлизации с использованием полиимидного диэлектрика. Тем не менее недостатком данного способа является наличие значительного количества технологических операций, которые приводят к существенным трудовым и материальным затратам. Наиболее близким к изобретению, его прототипом является способ изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов, включающий формирование на полупроводниковой пластине полиимидной пленки, формирование фоторезистивной маски,формирование топологического рисунка в полиимидной пленке, удаление фоторезистивной маски путем обработки структур в смеси моноэтаноламина и перекиси водорода при температуре не выше 30 С, напыление пленки металла, формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку 4. Восстановление поверхностного слоя полиимидной пленки в полиамидокислоту в данном случае достигается обработкой в одну стадию, причем эта обработка совмещена с процессом удаления фоторезиста. Этим достигаются невысокая трудоемкость процесса, высокие 2 15742 1 2012.04.30 адгезионные и электрические характеристики полученных структур. Моноэтаноламин используется при этом в чистом виде, а перекись водорода в форме 30 -ного водного раствора. Таким образом, удаление фоторезистивной маски проводится в смеси моноэтаноламина, перекиси водорода и воды. При этом перекись добавляется в ванну обработки небольшими порциями по мере ее разложения. Недостатком прототипа является сложность поддержания требуемого температурного режима при удалении фоторезистивной маски. Перекись водорода при смешивании с моноэтаноламином быстро разлагается с выделением большого количества тепла, что приводит к неконтролируемому разогреву смеси. Превышение температуры, в свою очередь,приводит к разрушению полиимидной пленки. Для обеспечения протекания процесса и поддержания требуемой температуры перекись необходимо добавлять в раствор очень часто маленькими порциями, причем так, чтобы скорость естественного охлаждения смеси была соизмерима со скоростью ее разогрева в результате протекающих химических реакций. Поскольку перекись водорода имеет меньшую плотность по сравнению с моноэтаноламином, смесь приходится непрерывно достаточно интенсивно перемешивать. В противном случае накапливающаяся на поверхности перекись закипает, т.е. очень быстро разлагается, приводя к разбавлению раствора и его быстрому разогреву без обеспечения протекания технологического процесса. Продуктами разложения перекиси водорода являются вода и кислород. Кислород быстро удаляется из смеси, а вода приводит к ее разбавлению и потере свойств. С учетом того что исходная перекись водорода используется в виде 30 -ного раствора, разбавление смеси протекает довольно быстро. В результате такого разогрева и разбавления рассматриваемый состав очень быстро приходит в негодность,приводя к неоправданно высокому расходу реактивов на проведение данного процесса. Задачей настоящего изобретения является снижение удельного расхода реактивов за счет повышения срока годности состава. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов, включающем формирование на полупроводниковой пластине полиимидной пленки, формирование фоторезистивной маски, формирование топологического рисунка в полиимидной пленке, удаление фоторезистивной маски путем обработки структур в растворе, содержащем воду и моноэтаноламин, при температуре не выше 30 С, напыление пленки металла, формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку, при удалении фоторезистивной маски через раствор барботируют газовую смесь, содержащую 0,1-1,5 об.озона. Сущность заявляемого технического решения заключается в стабилизации температурного режима процесса. Барботирование через раствор моноэтаноламина в воде газовой смеси, содержащей 0,1-1,5 об.озона, по действию на фоторезист аналогично добавлению к этому раствору перекиси водорода. Как перекись, так и озон разлагаются с образованием атомарного кислорода, который совместно с моноэтаноламином приводит к быстрому растворению и окислению фоторезистивной маски на поверхности полиимида. Как и в случае прототипа,водный раствор моноэтаноламина обеспечивает гидролиз поверхности полиимидной пленки с образованием полиамида, обеспечивающего требуемую адгезию в формируемой структуре. И этот гидролиз также протекает в одну стадию. Однако интенсивного разогрева смеси при этом не происходит. Барботирование может осуществляться только непосредственно в процессе удаления фоторезиста. По окончании процесса подача газовой смеси может быть прекращена. Не происходит также и разбавления раствора водой, являющейся продуктом разложения перекиси. В результате температура и состав исходного раствора (содержание воды) сохраняются достаточно долго, вплоть до полного его истощения. Количество обрабатываемых в таком растворе пластин значительно возрастает (в несколько раз). 3 15742 1 2012.04.30 Заявляемое техническое решение поясняется уравнениями химических реакций. Перекись водорода разлагается согласно реакции(1) Н 22 Н 2. Озон разлагается согласно реакции(2) 32. Из приведенных схем реакций видно, что использование перекиси приводит к разбавлению раствора водой, а использование озона предупреждает разбавление, поскольку продукты его разложения являются газообразными. Гидролиз поверхности полиимидной пленки, как и в случае прототипа, протекает согласно реакции Протекание данной химической реакции обусловлено контактом раствора с поверхностью полиимидной пленки по окончании процесса удаления фоторезиста. Водные растворы моноэтаноламина обладают основными свойствами. Первоначально в процессе гидролиза образуется промежуточное соединение, которое можно отнести к классу солей, образованных слабой кислотой и слабым основанием. Однако, как известно, соли, образованные слабой кислотой и слабым основанием, разлагаются водой за счет гидролиза. Поэтому промежуточное соединение нестойко в рассматриваемых условиях и далее распадается на полиамидокислоту и моноэтаноламин. Моноэтаноламин вымывается из пленки при последующей промывке структур в воде. Образовавшаяся на поверхности полиимидной пленки в результате реакции 3 полиамидокислота обеспечивает образование адгезионных химических связей с металлической пленкой согласно реакции к другим атомам алюминия 4 Таким образом, использование заявляемого технического решения позволяет значительно снизить удельный расход реактивов на проведение процесса при сохранении высоких технических характеристик получаемых структур. Содержание озона в газовой смеси, барботируемой через раствор, определяется в основном требованием селективности удаления фоторезиста по отношению к полиимидной пленке. Содержание озона более 1,5 об. , например 5 об. , обеспечивает быстрое удаление фоторезиста, но приводит к подтравливанию полиимидной пленки, что регистрируется уменьшением ее толщины и увеличением размеров контактных окон. Содержание озона менее 0,1 об. , например 0,01 об. , не обеспечивает приемлемой скорости и качества удаления фоторезиста. Остатки фоторезиста на поверхности полиимидной пленки приводят к образованию дефектов токопроводящих дорожек. Требование по температуре проведения процесса (не выше 30 С) сохраняется, т.к. полиимидная пленка не стойка к горячим растворам щелочей. При проведении процесса в соответствии с заявляемым техническим решением обеспечиваются необходимая селективность удаления фоторезиста по отношению к полиимидной пленке, высокие электрофизические характеристики получаемых структур и низкий удельный расход реактивов. Способ осуществляли следующим образом. На кремниевые пластины марки КЭФ 4,5 со сформированными активными тестовыми структурами методом центрифугирования на автомате нанесения фоторезиста 08 ФН-125 наносили раствор полипиромеллитамидной кислоты ЫУ 0 028.108 ТУ. Пластины высушивались на установке конвейерной термообработки 02 СТ-125 в течение 10 минут при температуре 160 С. Затем пластины нагревали 1 час при температуре 350 С в атмосфере аргона в установке СДО 3/15. Толщина полиимидной пленки составила 1,1 мкм. Далее методами стандартной фотолитографии формировалась маска фоторезиста ФП-383, после чего полиимид вытравливали в контактных окнах в кислородной плазме на установке 08 ПХО-100 Т-005. После этого вытравливали оксид кремния в контактных окнах для обеспечения контакта металлизации к активным областям. Далее пластины обрабатывали в водном растворе моноэтаноламина на установке химической обработки ЩЦМ 3.240.212 при барботировании через него озонсодержащей газовой смеси. Объем ванны обработки составляет около 5,5 л. Содержание моноэтаноламина изменяли от 70 до 95 об. . Озон получали на установке КФНС 443.121.002. Концентрацию озона регулировали выбором режимов работы установки и измеряли при помощи газоанализатора. Барботаж полученной газовой смеси осуществляли через отверстия диаметром 0,2 мм. При этом удаляли остатки фоторезиста и проводили гидролиз поверхностного слоя полиамида. Режимы обработки указаны в таблице. Полноту удаления фоторезиста контролировали методами оптической микроскопии при увеличении 250 х. Раствор использовали до полного истощения, что определяли по полноте удаления фоторезиста. Пластины промывали водой в каскадной ванне той же установки и высушивали центрифугированием на установке отмывки и сушки ЩЦМ 3.240.213. После этого на пластинах формировали пленку алюминия с добавкой 1 кремния на агрегате непрерывного действия 01 НИ-7-006 толщиной 1,0 мкм. Затем формировали рисунок металлизации методами стандартной фотолитографии и травления. После удаления фоторезиста в холодном диметилформамиде пластины нагревали при температуре 510 С в течение 20 минут на установке АДС 6-100 в атмосфере аргона. На полученных таким образом структурах измеряли напряжение пробоя межуровневого диэлектрика. Результаты измерений приведены в таблице. 5 15742 1 2012.04.30 Влияние режимов удаления фоторезиста на количество и характеристики обработанных структур Содержание моно- Содержание Количество Напряжение этаноламина озона в газовой обработанных пробоя изов растворе, об.смеси, об.пластин, шт. ляции, В 70 1,0 560 330 85 1,0 580 325 95 1,0 575 325 90 Примечания, расход раствора на одну пластину, мл 9,82 9,48 9,57 велико время обработки, неполное удаление фоторезиста 9,02 9,32 частичное растворение полиимидной пленки,растравы 31,43 Из приведенных данных видно, что заявляемое техническое решение, по сравнению с прототипом позволяет значительно уменьшить (более чем в 3 раза) удельный расход реактивов на одну пластину при сохранении высоких электрофизических характеристик структур. Запредельные режимы обработки не позволяют получить структуры приемлемого качества. Источники информации 1. Патент США 3179634, НКИ 260-78, 1965. 2. Патент ФРГ 2638799, МПК 01 21/94, 1978. 3. Сенько С.Ф., Снитовский Ю.П. Новая технология изготовления системы металлизации СБИС с использованием полиимида // Микроэлектроника. - 2002. - Т. 31. -3. С. 201-210. 4. Патент РБ 7756, МПК 701 21/02, 21/28,23 14/00, 2006 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6