Способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ 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 кремниевых полупроводниковых приборов, включающий формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки на основе диоксида кремния, формирование в диэлектрической пленке контактных окон к активным элементам подложки, формирование барьерного слоя гидрогенизированного аморфного кремния, нанесение пленки сплава алюминия толщиной 0,5-2,0 мкм, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения требуемой кристаллической структуры металла, отличающийся тем, что барьерный слой формируют путем обработки подложки в атмосфере водорода при температуре 400-500 С в течение 10-60 мин. Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов. Постоянный рост степени интеграции полупроводниковых приборов, сопровождающийся уменьшением размеров их элементов, приводит к значительному повышению используемых рабочих плотностей электрического тока 1. Повышение плотности электрического тока, в свою очередь, приводит к деградации электрических характеристик систем металлизации и их отказу. Это связано с тем, что при протекании электрического тока высокой плотности наблюдается явление массопереноса материала проводника в направлении потока электронов, приводящее к его разрыву. Данное явление получило название электромиграции, и на сегодняшний день надежность и долговечность работы большинства полупроводниковых приборов в целом определяется устойчивостью их систем металлизации именно к этому явлению. Большинство полупроводниковых приборов изготавливается по планарной технологии с использованием для электрических соединений различных элементов между собой пленочных токопроводящих систем требуемой геометрической конфигурации. При этом основным материалом для их изготовления практически с момента появления и до настоящего времени являются пленки на основе алюминия. 13466 1 2010.08.30 Типовой процесс изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов включает последовательное формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки, преимущественно на основе оксида кремния, формирование в этой пленке контактных окон к активным областям, нанесение пленки алюминия,формирование рисунка электрической разводки и последующую термообработку 2. Недостатки такого техпроцесса обусловлены высокой взаимной растворимостью алюминия и кремния и массопереносом материала пленки под воздействием технологических факторов в процессе изготовления приборов, а также под воздействием электрического поля в процессе их эксплуатации. Это приводит к электрическому замыканию -переходов, расположенных непосредственно под областью контакта металла с полупроводником, утонению токоведущих дорожек системы и их разрушению. Очевидным способом снижения растворимости кремния в алюминии является легирование алюминиевой пленки кремнием. Концентрация кремния в алюминии при этом выбирается близкой к составу эвтектики (98,681,32). Технология изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов с использованием сплавов алюминия с добавкой 1-3 кремния практически не отличается от предыдущего аналога 3. Пожалуй, единственным отличием такого способа является проведение дополнительной операции по удалению кремниевой крошки с поверхности структур после травления пленки сплава алюминия. Наличие кремния в пленке алюминия замедляет процесс растворения материала подложки в пленке. Однако, как оказалось, и такой способ обладает практически теми же недостатками, что и предыдущий аналог, хотя и в меньшей степени. Это связано с тем, что процесс растворения кремния в алюминии сопровождается его миграцией по границе раздела алюминий - диэлектрик, в качестве которого обычно используются пленки фосфоросиликатного стекла (диоксид кремния, легированный фосфором). Поэтому даже значительная концентрация кремния в пленке алюминия не может предотвратить данный процесс. Кроме того, алюминий активно взаимодействует с оксидом фосфора, входящим в состав фосфоросиликатного стекла, что приводит к повышению дефектности границы раздела металла с диэлектриком вследствие коррозии металла. Это в значительной степени способствует протеканию явлений массопереноса в материале полученной системы металлизации. Третьим фактором, ответственным за недостатки рассматриваемого способа, является наличие узких мест, преимущественно на ступеньках топологического рельефа полупроводникового прибора. Толщина и структура металлизированного покрытия на ступеньках отличается от свойств покрытия на планарных участках. Это приводит в условиях эксплуатации прибора к появлению температурных градиентов и градиентов растворимости кремния в сплаве алюминия именно в этих местах. Процессы электромиграции на этих участках происходят наиболее интенсивно, поэтому разрыв дорожек металлизации происходит преимущественно на ступеньках топологического рельефа. Данному явлению посвящено большое количество работ и установлено, что процессы электромиграции происходят главным образом по границам зерен токопроводящей пленки и на границе раздела токопроводящая пленка - диэлектрическая изоляция. Поэтому дальнейшим шагом по преодолению взаимного растворения алюминия и кремния и снижению массопереноса в токопроводящих системах полупроводниковых приборов является использование барьерных слоев и легирование алюминия различными элементами, т.е. использование сплавов алюминия. Выбор материала барьерного слоя и способа его нанесения, способа формирования системы металлизации и конкретного легирующего элемента при этом обусловлен преимущественно функциональным назначением и предстоящими условиями эксплуатации изготавливаемого прибора 4. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов, включающий формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки на 2 13466 1 2010.08.30 основе диоксида кремния, формирование в этой пленке контактных окон к активным элементам подложки, нанесение барьерного слоя гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 0,005-0,050 мкм, нанесение пленки сплава алюминия толщиной 0,5-2,0 мкм,формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения требуемой кристаллической структуры металла 5. Гидрогенизированный аморфный кремний, с одной стороны, служит барьером для химического взаимодействия металла с материалом диэлектрической изоляции, что приводит к повышению качества границы раздела между ними. С другой стороны, он препятствует процессу растворения материала подложки (кремния) в материале токопроводящей системы. Водород, содержащийся в барьерном слое, проникает в алюминий и пассивирует границы раздела металлических зерен, что дополнительно повышает устойчивость системы металлизации к электромиграции. Термообработка такой системы в процессе ее изготовления приводит к локальному насыщению пленки алюминия кремнием, что снижает растворимость материала подложки (кремния) в материале токоведущей системы, а также повышает устойчивость системы к электромиграции на ступеньках топологического рельефа. Требуемый топологический рисунок такой системы получают путем последовательного травления пленки алюминия, а затем гидрогенизированного аморфного кремния. При использовании легированных кремнием пленок алюминия процесс травления пленки поликристаллического или аморфного кремния технологически совмещается с процессом удаления кремниевой крошки, остающейся на поверхности структуры после травления алюминия. Недостатком прототипа является то, что барьерный слой формируется не только на поверхности межуровневого диэлектрика, но и непосредственно в контактных окнах. Поскольку он обладает сравнительно высоким электрическим сопротивлением по сравнению с металлом и имеет электронный тип проводимости, это приводит к увеличению переходного сопротивления контактов, особенно к -областям, что снижает качество системы металлизации в целом. Данная проблема обостряется при переходе к субмикронным размерам контактных областей, т.к. дополняется трудностями при их зачистке непосредственно перед нанесением металлической пленки. Это обусловлено капиллярными явлениями, сопровождающими процессы жидкостного травления тонких пленок. Формирование барьерного слоя до вскрытия контактов позволяет избежать этого, но при проведении фотолитографических операций барьерный слой окисляется и значительно теряет свои свойства. Энергия активации электромиграции заметно снижается, что приводит к невозможности использования такой последовательности технологических операций. Задачей заявляемого изобретения является повышение качества системы металлизации за счет снижения переходного сопротивления контактов. Поставленная задача решается тем, что вспособе изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов, включающем формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки на основе диоксида кремния,формирование в диэлектрической пленке контактных окон к активным элементам подложки, формирование барьерного слоя гидрогенизированного аморфного кремния, нанесение пленки сплава алюминия толщиной 0,5-2,0 мкм, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения требуемой кристаллической структуры металла, барьерный слой формируют путем обработки подложки в атмосфере водорода при температуре 400-500 С в течение 10-60 мин. Сущность заявляемого технического решения заключается в селективном формировании барьерного слоя только на поверхности диэлектрика за счет восстановления его водородом, а также совмещении процесса формирования барьерного слоя с процессом зачистки контактных окон. Формирование барьерного слоя гидрогенизированного аморфного кремнияна поверхности межуровневого диэлектрика при реализации заявляемого изобретения обес 3 13466 1 2010.08.30 печивается протеканием химической реакции восстановления диоксида кремния водородом согласно схеме(1) 222 Барьерный слойобразуется как на горизонтальной поверхности диэлектрика,так и на вертикальных стенках контактных окон. На дне контактных окон толщина диоксида кремния пренебрежимо мала. Его наличие связано с окислением активных областей в процессе их межоперационного хранения. Этот диоксид кремния, кроме того, является сильно легированным примесью того же типа, что и активная область, поскольку образован за счет окисления этих областей. Поэтому процесс взаимодействия водорода с диоксидом кремния на дне контактных окон следует рассматривать как их зачистку перед нанесением металлической пленки для обеспечения омического контакта к активным областям. Образующийся в контактных областяхпри этом оказывается сильно легированным той же примесью, что и активная область. Поскольку толщина диоксида кремния на дне контактных окон составляет величину порядка 2 нм, толщина образующегосясоставляет не более 1 нм при любой длительности процесса термообработки. На поверхности межуровневого диэлектрика, как показывают измерения, толщина образующегосяпри заявленных режимах термообработки составляет 5-50 нм. Таким образом, барьерный слой при реализации заявляемого изобретения селективно формируется на всей поверхности межуровневого диэлектрика, включая стенки контактных окон. Выбор температурного и временного интервалов обоснован тем, что использование температур выше 500 С, например 550 С, приводит к преимущественному восстановлению дефектных областей в пленке диоксида кремния с образованием сквозных пор. Дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению толщины межуровневого диэлектрика вследствие его травления. Химическая реакция при этом не останавливается на фазе образования . Процесс идет дальше до полного восстановления кремния с образованием летучего силана, что приводит к уменьшению толщины межуровневого 2. При температуре менее 400 С, например 350 С, процесс взаимодействия водорода с диоксидом кремния практически прекращается. В контактных окнах собственный оксид кремния остался неудаленным, что приводит к повышенному сопротивлению и в ряде случаев к полному отсутствию контактов. Использование запредельных значений времени термообработки, например 5 или 90 мин, не позволяет получить требуемую толщину (5-50 нм) барьерного слоя. В этих случаях она оказывается меньше или больше требуемой соответственно. Заявляемый способ был реализован при изготовлении приборов 431. Активные элементы структуры формировали стандартными методами в соответствии с требованиями действующей технической документации. В качестве межуровневой диэлектрической изоляции использовали пленки пиролитического диоксида кремния толщиной 0,65 мкм. После вскрытия в ней контактных окон полученные структуры подвергали термической обработке в атмосфере водорода в соответствии с режимами, приведенными в таблице. Жидкостную зачистку контактных окон в растворе на основе плавиковой кислоты проводили только для структур, изготавливаемых в соответствии со способом-прототипом. Затем на всю поверхность пластин наносили пленку сплава алюминия толщиной 1,1 мкм. Тип используемого сплава указан в таблице. Далее стандартными методами формировали требуемый топологический рисунок токопроводящей системы и проводили ее термообработку при 450 С в атмосфере аргона для получения требуемой кристаллической структуры. Затем формировали пассивирующее покрытие требуемой топологической конфигурации и проводили измерения электрофизических параметров структур. Результаты контроля приведены в таблице. Одновременно с рабочими формировали тестовые структуры для контроля параметров системы металлизации, в том числе ее устойчивости к электромиграции. Контроль пере 4 13466 1 2010.08.30 ходного контактного сопротивления кремний и кремний проводили на цепочках из 20 контактов. При этом сопротивление -областей кремния составляло 4 Ом/квадрат, а -областей - 160 Ом/квадрат. Измерение электропараметров полученных структур проводили стандартными методами, контроль устойчивости к электромиграции проводили в соответствии с 6. Результаты контроля приведены в таблице. Сопротивление Сопротивление цеЭнергия активации цепочки контактов почки контактов электромиграции,неполная зачистка контактных окон дефекты межуровневого диэлектрика неполная зачистка контактных окон 1,10 1,10 велико время обработки 1,11 1,09 1,10 13466 1 2010.08.30 Из приведенных данных видно, что заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с прототипом меньшие переходные контактные сопротивления при такой же энергии активации процесса электромиграции. Это свидетельствует о том, что полнота зачистки контактных окон при использовании заявляемого способа выше. Барьерный слойна дне контактных окон практически не формируется, а собственный оксид кремния удаляется полностью. Таким образом, заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом обеспечивает более высокое ее качество за счет снижения переходного сопротивления контактов. Источники информации 1. Валиев К.А., Орликовский А.А., Васильев А.Г., Лукичев В.Б. Проблемы создания высоконадежных многоуровневых соединений СБИС // Микроэлектроника. - 1990. - Т. 19.2. - С. 116-131. 2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. Лаборатория Базовых Знаний, 2001. - 488 с. 3. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 2 Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М. Мир. 1986. 453 с. 4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Минск Высшая школа, 1989. - С. 38-49 (прототип). 5. Патент РБ 9585, МПК 701 21/02, 23/48, 2007. 6. Стандарт отрасли ОСТ 1114.1012-99. Микросхемы интегральные. Технические требования к технологическому процессу. Система и методы операционного контроля. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.