Способ изготовления системы металлизации интегральных схем

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ(71) Заявитель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(72) Авторы Сенько Сергей Федорович Емельянов Виктор Андреевич Белоус Анатолий Иванович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское конструкторско-технологическое республиканское унитарное предприятие Белмикросистемы(56) Сенько С.Ф., Снитовский Ю.П. Новая технология изготовления системы металлизации СБИС с использованием полиимида. Микроэлектроника. - 2002. Т. 31. -3. - С. 201-210.1577617 1, 1995.2638799 1, 1978.0019744 1, 2001.6221440 1, 2001.0244462 1, 1987.0139090 1, 1985.(57) Способ изготовления системы металлизации интегральных схем, включающий формирование на полупроводниковой пластине полиимидной пленки, формирование фоторезистивной маски, формирование топологического рисунка в полиимидной пленке, удаление фоторезистивной маски, напыление пленки металла, формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку, отличающийся тем, что удаление фоторезистивной маски проводят путем обработки структур в смеси моноэтаноламина и перекиси водорода при температуре не выше 30 С. 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 приво 7756 1 2006.02.28 дит 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 термообработки пленки полиамидокислоты существенным образом влияет как на диэлектрические свойства полученной полиимидной пленки, так и на адгезию формируемой на ней пленки металла, служащей для формирования межсоединений. Известен способ создания системы металлизации интегральных схем, включающий нанесение полиамидокислоты на кремниевую пластину с активными областями, термообработку при температуре 120 С в течение 15 мин, 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 интегральных схем,включающий нанесение пленки полипиромеллитамидокислоты на полупроводниковую пластину, частичную имидизацию полученной пленки путем термообработки при температуре 200 С и 275 С в течение отрезков времени 20-30 мин, нанесение металлической пленки на основе алюминия, окончательную имидизацию полипиромеллитамидокислоты при температуре 350 С в течение 20 мин 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. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является 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 прототипа является наличие значительного количества технологических операций, которые приводят к существенным трудовым и материальным затратам. Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости за счет сокращения числа технологических операций. 2 7756 1 2006.02.28 Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления системы металлизации интегральных схем, включающем формирование на полупроводниковой пластине полиимидной пленки, формирование фоторезистивной маски, формирование топологического рисунка в полиимидной пленке, удаление фоторезистивной маски, напыление пленки металла, формирование топологического рисунка в металлической пленке и термообработку,удаление фоторезистивной маски проводят путем обработки структур в смеси моноэтаноламина и перекиси водорода при температуре не выше 30 С. Сущность предлагаемого технического решения заключается в проведении гидролиза поверхностного слоя полиимидной пленки для превращения ее в полиамид в одну стадию. Рассмотрим подробно заявляемую последовательность технологических операций. Первоначально на поверхности полупроводниковой пластины проводят формирование полиимидной пленки путем нанесения пленки полипиромеллитамидной кислоты и ее последующей термообработки. Химическая реакция имидизации полипиромеллитамидной кислоты представлена ниже Далее формируют фоторезистивную маску методами стандартной фотолитографии и проводят травление межуровневого диэлектрика (в случае использования однослойного диэлектрика, состоящего из пленки полиимида, - травление полиимида) для получения контактных окон к нижележащему слою. Далее проводят удаление фоторезистивной маски. Согласно прототипу данный технологический процесс проводят после УФ-облучения фоторезиста в 0,9 растворе гидрооксида калия, применяемом для проявления фоторезиста. При этом по окончании удаления фоторезиста происходит контакт поверхности полиимидной пленки с раствором щелочи и протекает первая стадия гидролиза. Химическая реакция взаимодействия гидрооксида калия и полиимида представлена ниже Наличие на поверхности полиимидной пленки солей полиамидокислоты отрицательно сказывается на характеристиках формируемой системы металлизации, т.к. приводит к возникновению поверхностных утечек. Поэтому необходимо проведение второй стадии гидролиза - восстановление солей до полиамидокислоты. Такую стадию осуществляют путем обработки поверхности полиимидной пленки в растворе кислоты. Ионы калия, приводящие к возникновению утечек, при этом вымываются из полиимидной пленки. Химическая реакция, протекающая при этом, представлена ниже 3 В случае же использования предлагаемого технического решения гидролиз поверхностного слоя полиимида протекает в одну стадию согласно реакции Протекание данной химической реакции обусловлено контактом смеси моноэтаноламина и перекиси водорода с поверхностью полиимидной пленки по окончании процесса удаления фоторезиста. Перекись водорода, применяемая в технологии изготовления полупроводниковых приборов и входящая в состав смеси, в действительности является водным раствором. Наиболее часто используемая ее концентрация - примерно 30(100 -я перекись водорода не используется ввиду взрывоопасности). Поэтому вода всегда присутствует в растворе в достаточном количестве. 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. Далее на подготовленной таким образом поверхности полиимидной пленки формируется металлическая пленка. Затем стандартными методами формируется рисунок межсоединений и проводится термообработка, в течение которой происходит формирование 4 7756 1 2006.02.28 контактов, формирование адгезионных связей металлической пленки к основанию и финишная имидизация не прореагировавшей с металлом полиамидокислоты. Химическая реакция взаимодействия полиамидокислоты с алюминиевой пленкой представлена ниже Таким образом, процесс гидролиза поверхностного слоя полиимида в полиамидокислоту протекает в одну стадию и является совмещенным с процессом удаления фоторезиста, т.е. выполняется в едином технологическом цикле. Исключаются самостоятельные операции УФ-облучения фоторезиста и обработки структур в растворе кислоты, трудоемкость изготовления структур за счет этого снижается. Особенностью заявляемой последовательности технологических операций является обработка структур в смеси моноэтаноламина и перекиси водорода. Такая обработка широко используется в технологии микроэлектроники для удаления фоторезиста с различных покрытий и проводится без контроля температуры. Необходимым условием выполнения данной обработки в составе предложенной последовательности операций является поддержание температуры смеси не выше 30 С. Это связано с тем, что при более высоких температурах, например 40 С, наблюдается подтравливание пленки полиимида, что проявляется в изменении размеров сформированных в пленке контактных окон. При проведении же процесса с соблюдением заявленного требования по температуре обеспечивается необходимая селективность удаления фоторезиста по отношению к полиимидной пленке(размеры контактных окон не меняются, видимых изменений не наблюдается, толщина пленки остается на прежнем уровне). Способ осуществляли следующим образом. На кремниевые пластины марки КЭФ 4,5 со сформированными активными тестовыми структурами наносили методом центрифугирования раствор полипиромеллитамидной кислоты ЫУ 0 028.108 ТУ на автомате нанесения фоторезиста 08 ФН-125. Пластины высушивались на установке конвейерной термообработки 02 СТ-125 в течение 10 мин при температуре 160 С. Затем пластины нагревали 1 ч при температуре 350 С в атмосфере аргона в установке СДО 3/15. Толщина полиимидной пленки составила 1,1 мкм. На пластинах 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. Далее вытравливали оксид кремния в контактных окнах для обеспечения контакта металлизации к активным областям. Далее пластины для удаления фоторезиста и гидролиза поверхностного слоя полиимида обрабатывали в смеси моноэтаноламина и перекиси водорода при температуре, указанной в таблице, на установке химической обработки ЩЦМ 3.240.212. Время обработки выбирали из условия полноты удаления фоторезиста при визуальном контроле. 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 5 7756 1 2006.02.28 стандартной фотолитографии и травления, и после удаления фоторезиста в холодном диметилформамиде пластины нагревали при температуре 510 С в течение 20 мин на установке АДС 6-100 в атмосфере аргона. Последовательность операций изготовления структур по сравнению с прототипом приведена в табл. 1. Таблица 1 Заявляемый способ Прототип 1. Формирование активной структуры. 1. Формирование активной структуры. 2. Нанесение пленки полиамидокислоты. 2. Нанесение пленки полиамидокислоты. 3. Термообработка. 3. Термообработка. 4. Фотолитография. 4. Фотолитография. 5. Травление межуровневого диэлектрика. 5. Травление межуровневого диэлектрика. 6. Удаление фоторезиста в смеси моноэта- 6 а. УФ-облучение фоторезиста. ноламина и перекиси водорода. 6 б. Удаление фоторезиста в растворе гидрооксида калия. 6 в. Обработка структур в растворе кислоты. 7. Напыление металла. 7. Напыление металла. 8. Фотолитография. 8. Фотолитография. 9. Травление металла и удаление фоторезиста. 9. Травление металла и удаление фоторезиста. 10. Термообработка. 10. Термообработка. Из приведенной последовательности операций изготовления структур видно, что заявляемый способ отличается от прототипа отсутствием самостоятельных технологических операций 6 а. УФ-облучение фоторезиста и 6 в. Обработка структур в растворе кислоты. На полученных таким образом структурах измеряли напряжение пробоя межуровневого диэлектрика. Результаты измерений приведены в табл. 2. Таблица 2 Температура процесса Напряжение пробоя Примечание изоляции, В удаления фоторезиста, С 15 330 20 330 26 325 30 330 40 290 Растрав полиимидной пленки Прототип 325 Из приведенных данных видно, что предлагаемая последовательность операций по сравнению с прототипом позволяет снизить трудоемкость изготовления структур за счет уменьшения количества технологических операций при прежнем уровне качества формируемых структур. 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 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.