Способ изготовления полупроводникового прибора

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Сенько Сергей Федорович Шведов Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий формирование на полупроводниковой подложке с активными элементами поверхностного слоя требуемой конфигурации, его плазмохимическую обработку, нанесение слоя полиамидной кислоты,ее термообработку для превращения в полиимид, вскрытие контактных окон, напыление металлической пленки и формирование рисунка межсоединений, отличающийся тем, что поверхностный слой формируют из нитрида кремния, а плазмохимическую обработку проводят в атмосфере водорода в течение 5-60 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 раствора полиамидокислоты (ПАК) в диметилформамиде (ДМФА),которая в результате последующей термообработки превращается в полиимид (ПИ). Химическая инертность ПИ по отношению к материалам полупроводниковых структур, в частности к кремнию и его диоксиду, является причиной неудовлетворительной адгезии 13237 1 2010.06.30 полиимида к подложке, что приводит к невозможности получения структур приемлемого качества. Это приводит к необходимости принятия дополнительных мер по повышению адгезии пленки полиимида к полупроводниковой подложке и усложнению технологического процесса. Одним из направлений повышения адгезии ПИ является использование промежуточных слоев, обладающих хорошей адгезией к подложке, и обеспечивающих образование химической связи с формируемой на них пленкой полиимида. В качестве таких слоев могут быть использованы оксид алюминия или модифицированный аминогруппами диоксид кремния 1. Известный способ изготовления полупроводниковых приборов с использованием полиимидной пленки в качестве диэлектрика в составе системы металлизации включает следующие операции 2. На полупроводниковую пластину с активными структурами методом центрифугирования наносят сначала 0,1 раствор -аминопропилтриэтоксисилана, затем раствор полиамидокислоты и проводят ее сушку для удаления растворителя. Далее проводится термообработка при более высокой температуре, обеспечивающей превращение полиамида в полиамидоимид. После вскрытия контактных окон в полученной пленке наносится слой металла, проводится термообработка структур до полной имидизации пленки и формируется рисунок межсоединений. В основе способа лежит гидролиз -аминопропилтриэтоксисилана непосредственно на полупроводниковой подложке с образованием промежуточного слоя диоксида кремния с присоединенными аминогруппами -2. При последующем нанесении полиамидокислоты функциональные группы -СООН, входящие в ее состав, вступают в реакцию с аминогруппами, входящими в состав полученного промежуточного слоя, с образованием химической связи , обеспечивающей необходимую адгезию между слоями. Недостатки данного способа связаны с низким качеством формируемого промежуточного слоя. Его гидролиз проводится при низкой температуре, которая обеспечивает протекание химических реакций гидролиза основного компонента при сохранении аминогрупп с образованием тонкой промежуточной адгезивной пленки. Эта пленка ввиду низкой температуры гидролиза оказывается загрязненной осколками молекул исходного компонента(в основном, углеродом, - 25 и т.п.), является слишком пористой и рыхлой. При проведении последующих технологических операций в ней адсорбируются различные загрязнения, ухудшающие диэлектрические характеристики формируемой изоляции и снижающие качество получаемых структур. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления полупроводниковых структур, включающий последовательное формирование на полупроводниковой подложке требуемых слоев заданной конфигурации, предварительную обработку поверхностного слоя структуры сначала во фторсодержащей плазме (4), а затем газообразным аммиаком, нанесение слоя полиамидокислоты и ее термообработку для превращения в полиимид 3. После этого в полученной пленке вскрывают контактные окна, наносят пленку металла и формируют рисунок межсоединений. Данный способ позволяет минимизировать толщину промежуточного адгезионного слоя до размеров мономолекулярного. Травление полупроводниковой структуры ионами фтора происходит только на ее поверхности путем последовательного разрыва химических связей поверхностных атомов кремния и присоединения на них ионов фтора. При замещении всех связей атомов кремния фтором образующаяся молекула тетрафторида кремния отделяется от поверхности и уносится газоплазменным потоком. По окончании процесса травления на поверхности структуры остаются атомы фтора, присоединенные к поверхностным атомам кремния за счет относительно нестабильной химической связи , которая на воздухе тут же гидролизуется. Обработка поверхности структур газообразным аммиаком в едином технологическом цикле сразу же после обработки во фторсодержащей плазме приводит к замещению атомов фтора аминогруппами. Связь -2 довольно стабильна, и такие структуры могут храниться некоторое время. В итоге толщи 2 13237 1 2010.06.30 на промежуточного слоя уменьшилась до размеров мономолекулярного слоя -2. Это позволяет значительно улучшить характеристики получаемых структур, поскольку все группы -2 на последующих операциях расходуются на образование адгезионных связей с формируемой пленкой ПИ. Промежуточный слой при этом исчезает как таковой. Изготовление кремниевых полупроводниковых структур включает формирование в объеме кремниевой пластины активных областей различного типа проводимости и последующее формирование электрических межсоединений между ними. После формирования активной структуры ее поверхность образована преимущественно диэлектрическими пленками, в качестве которых в последнее время все чаще выступает нитрид кремния,обеспечивающий улучшенные электрофизические характеристики приборов. При этом оказалось, что рассматриваемый способ повышения адгезии полиимидной пленки к полупроводниковой подожке с поверхностным слоем нитрида кремния оказался малопригодным. Это обстоятельство связано с тем, что характер химического взаимодействия фторсодержащей плазмы с нитридом кремния иной, чем с его оксидом. Модификация его поверхности аминогруппами протекает незначительно. Адгезия полиимида к нитриду кремния оказалась чрезвычайно зависимой от условий формирования нитрида и невоспроизводимой. Возникновение растравов по краю контактных окон в процессе их зачистки приводит к ухудшению ряда электрических характеристик изготавливаемых приборов из-за проникновения реактивов между полиимидом и нитридом. Качество изготавливаемых полупроводниковых структур оказалось неприемлемо низким. Это привело к невозможности использования рассматриваемого способа на практике в случаях, когда поверхностный слой активной структуры сформирован на основе нитрида кремния. Таким образом, недостатком прототипа является низкое качество изготавливаемых структур вследствие невысокой адгезии формируемой полиимидной пленки к подложке с поверхностным слоем на основе нитрида кремния. Задачей настоящего изобретения является повышение качества структур за счет улучшения адгезии полиимидной пленки к поверхностному слою. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводникового прибора, включающем формирование на полупроводниковой подложке с активными элементами поверхностного слоя требуемой конфигурации, его плазмохимическую обработку, нанесение слоя полиамидной кислоты, ее термообработку для превращения в полиимид, вскрытие контактных окон, напыление металлической пленки и формирование рисунка межсоединений, поверхностный слой формируют из нитрида кремния, а плазмохимическую обработку проводят в атмосфере водорода в течение 5-60 с. Сущность заявляемого технического решения заключается в модификации поверхности нитрида кремния аминогруппами, обеспечивающими требуемую адгезию полиимида к подложке. В процессе плазмохимической обработки нитрида кремния в водороде химическая связь между атомами кремния и азота разрывается, а на оборванные связи присоединяется водород. Связь кремния с водородом при контакте с воздухом окисляется, а связь азота с водородом, представляющая собой не что иное как модифицирующие аминогруппы, остается стабильной вплоть до нанесения пленки полиамидокислоты. Поскольку нитрид кремния содержит очень много азота, количество образовавшихся аминогрупп на его поверхности в процессе обработки в плазме водорода также достаточно много. При последующем нанесении пленки полиамидокислоты и ее термообработке происходит взаимодействие аминогрупп -2 подложки с кислотными группами -СООН полиамидокислоты с образованием прочной адгезионной связи -СО между пленкой образовавшегося полиимида и нитридом кремния. Реакция модификации нитрида кремния в плазме водорода протекает фактически только на его поверхности и не идет вглубь пленки. Образующиеся аминогруппы расходуются впоследствии на образование адгезионных связей с полиимидной пленкой. 3 13237 1 2010.06.30 Заявляемый способ поясняется уравнениями химических реакций. Процесс имидизации полипиромеллитамидной кислоты протекает при ее нагревании согласно реакции 1 Отсюда видно, что химическую активность в ПАК проявляют кислотные группы-СООН и аминогруппы . Группы находятся в основной цепи макромолекулы, а группы -СООН можно рассматривать как боковые ветви, и поэтому обладающие большей подвижностью по сравнению с . В связи с этим существующие методы повышения адгезии пленок ПИ, в том числе рассматриваемый прототип и заявляемый способ основаны на использовании химической активности групп -СООН, а поверхность полупроводниковой структуры модифицируется аминогруппами. Процесс модификации поверхности нитрида кремния в плазме водорода можно представить в виде схемы химической реакции Поверхность нитрида кремния 342 Формирование на поверхности структуры полиимидной пленки и образование адгезионных связей протекает согласно схеме Поверхность нитрида кремния Нанесение слоя ПАК и ее термообработка при использовании заявляемого способа обеспечивают получение высокой адгезии ПИ к подложке. При вскрытии контактных окон к активным областям и их зачистке полиимидная пленка не отделяется от подложки и граница их раздела не засоряется продуктами травления. Это обеспечивает стабильность полученных на предыдущих этапах электрических характеристик изготавливаемых структур, следовательно, повышает их качество. Время обработки в плазме водорода менее 5 с, например 2 с, не позволяет провести модификацию поверхности в требуемой степени. Количество образующихся аминогрупп 4 13237 1 2010.06.30 при этом слишком мало. Время обработки в плазме водорода более 60 с, например 100 с,не приводит к дальнейшему улучшению адгезии формируемой пленки полиимида. Скорость травления нитрида кремния в плазме водорода достаточно мала, поэтому в заявляемом временном интервале существенного изменения электрофизических характеристик изготавливаемых структур, связанных с уменьшением толщины нитрида кремния, не происходит. Режимы обработки структур в плазме водорода принципиального значения не имеют. Важным моментом в данном случае является лишь факт взаимодействия плазмы с поверхностью нитрида кремния. Заявляемые временные интервалы обеспечивают формирование необходимого количества модифицирующих аминогрупп при различных прочих условиях. В связи с тем, что толщина используемой пленки нитрида кремния обычно невысока, лучше использовать процессы, обеспечивающие низкие скорости травления. Способ осуществляли следующим образом. На пластинах марки 100 КЭФ 4,5(100) стандартными методами фотолитографии, химической обработки, окисления, ионного легирования, диффузии, формирования диэлектрических и проводящих покрытий формировали области кармана. После разгонки кармана и удаления оксида кремния формировали нитридную маску для локального окисления кремния. Далее в полученной структуре формировали охранные области - и -типа и локальный оксид кремния путем термического окисления кремния под давлением до достижения его толщины 1,0 мкм. Затем с пластин удаляли нитрид кремния и формировали подзатворный оксид и пленку легированного поликристаллического кремния. Далее на всех структурах стандартными методами в соответствии с технологическим маршрутом формировали области затвора, истоков и стоков - и -канальных транзисторов. На этом этапе после термической активации примеси в областях истоков и стоков в атмосфере кислорода вся поверхность структур защищена пленкой оксида кремния. Затем на всю поверхность структур для повышения их электрофизических характеристик за счет реакции дихлорсилана с аммиаком парофазным методом наносили пленку нитрида кремния толщиной 50 нм. Далее проводили обработку части структур в плазме водорода на установке плазмохимической обработки 08 ПХО 100 Т-004 в течение времени, указанного в таблице. Другую часть структур обрабатывали в соответствии со способом-прототипом. Затем на все структуры наносили методом центрифугирования на автомате нанесения фоторезиста 08 ФН-125 раствор полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде 4. Пластины высушивались на установке конвейерной термообработки 02 СТ-125. Процесс имидизации проводили в атмосфере аргона в установке СДО 3/15 при температуре 350 С в течение 60 мин. Толщина полиимидной пленки составила во всех случаях 0,90,1 мкм. Одновременно с рабочими формировали тестовые структуры для контроля адгезии. На окисленные кремниевые пластины наносили пленку нитрида кремния и проводили его модификацию в соответствии с заявляемым способом и способом-прототипом. На них формировали пленку полиимида и проводили контроль ее адгезии к подложке методом параллельных надрезов согласно 5 (Примечание. Величина адгезии возрастает в ряду 321). Установлено, что структуры, изготовленные в соответствии со способомпрототипом, характеризуются значением адгезии 3 и 2 баллов, а структуры, изготовленные в соответствии с заявляемым способом, характеризуются значениями только 1 баллов. После вскрытия контактных окон проводили их зачистку в 1 растворе плавиковой кислоты. После сушки пластин проводили оценку качества вскрытия контактных окон по их смачиваемости в парах воды, а также оценку качества адгезии по наличию растравов под пленкой полиимида вокруг вскрытых окон. Установлено, что некоторые структуры,изготовленные в соответствии со способом-прототипом, содержат отдельные растравы,видимые в микроскопе при увеличении 250 х как двойная граница вскрытого окна, что свидетельствует о проникновении травителя по границе раздела ПИ - 34 с образовани 5 13237 1 2010.06.30 ем зазора между ними. Для структур, изготовленных в соответствии с заявляемым способом, такие растравы не наблюдались. Затем напыляли пленку сплава алюминия с 1 кремния и формировали рисунок межсоединений. После термообработки полученной системы металлизации проводили контроль электрических характеристик полученных приборов и их функционирования. Напряжение пробоя полученной многослойной межуровневой изоляции, измеренное на тестовых элементах полученных структур, во всех случаях составило величину от 310 до 345 В вне зависимости от способа изготовления. Поскольку контактные окна к областям затвора вскрывают на тех его участках, которые лежат на локальном оксиде кремния, то растравы этих окон при зачистке контактов приводят к возникновению паразитных эффектов по границе раздела ПИ - локальный оксид, снижая качество межкомпонентной изоляции, т.е. приборов в целом. В связи с этим в качестве контролируемых параметров были приняты напряжение пробоя межкомпонентной изоляции 1 и напряжение 2, при котором ток утечки через нее составлял 1 нА. Результаты контроля приведены в таблице. Из таблицы видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить напряжение пробоя структур от 37 В до 46-48 В, а напряжение, при котором ток утечки через структуру достигает 1 нА, с 25 В до 39-41 В. Одновременно вырос выход годных кристаллов. Использование запредельных режимов модификации поверхности нитрида кремния в плазме водорода, приводит к результатам, близким к прототипу. Способ изгоВыход годВремя обтовления 1, Вольт 2, Вольт ных криработки, с структур сталлов,2 5 30 60 Велико время обработки без дополнительных преимуществ Прототип 37,4 25,9 41,6 Таким образом, заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить качество изготавливаемых структур за счет улучшения их электрофизических характеристик, обеспечиваемых повышением адгезии наносимой полиимидной пленки к подложке с поверхностным слоем нитрида кремния. Источники информации 1.//.1981.- . 83.-2.- . 145-163. 2. Заявка ФРГ 2638799, МПК Н 01 21/94, 1978. 3. Сенько С.Ф., Снитовский Ю.П. Новая технология изготовления ситемы металлизации СБИС с использованием полиимида // Микроэлектроника.- 2002.- Т. 31.-3.- С. 201210 (прототип). 6 13237 1 2010.06.30 4. Лаки электроизоляционные АД 9103 и АД 9103 ПС. Технические условия ТУ 6-19283-85. 5. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии. -М. Издво стандартов, 1978. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7