Способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Автор Емельянов Антон Викторович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(56) Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Мн. Высшая школа, 1989. С. 38-49.1825236 1, 1997.5369300 , 1994.5882738 , 1999.10070087 , 1998.(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 толщиной 0,005-0,05 мкм, нанесение пленки сплава алюминия толщиной 0,5-2 мкм, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения требуемой кристаллической структуры металла, отличающийся тем, что барьерный слой формируют путем нанесения гидрогенизированного аморфного кремния. 9585 1 2007.08.30 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. 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. 2 9585 1 2007.08.30 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. 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 основе диоксида кремния, формирование в этой пленке контактных окон к активным элементам подложки, нанесение барьерного слоя поликристаллического или 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 4. Поликристаллический или 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. 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 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. Оценку устойчивости системы металлизации полупроводниковых приборов к электромиграции проводят обычно путем измерения времени , при котором происходит разрыв токоведущей дорожки испытываемой тестовой структуры при повышенных температуре (до 250 С) и плотности протекающего через структуру тока (около 106 Асм-2). Величинаназывается временем разрушения или временем наработки на отказ (ВНО). Полученные при условиях испытаний данные экстраполируют на нормальные условия работы прибора. Математически связь междуи условиями испытаний выражается как 2,где- поперечное сечение проводника,- эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик токопроводящей системы, удельного сопротивления материала пленки, условий теплоотвода, особенностей тестовой структуры и т.п.,- плотность тока через структуру, Еа - энергия активации процесса электромиграции,- постоянная Больцмана,Т - абсолютная температура 5. Отсюда видно, что при повышении степени интеграции, приводящей к уменьшению площади поперечного сечения проводникови возрастанию плотности тока , стойкость любой системы металлизации к электромиграции снижается. Поэтому прототип характеризуется недостатками, присущими предыдущим аналогам, хотя в меньшей степени. Резервом повышения надежности системы металлизации является повышение энергии активации Еа процесса электромиграции. При повышении энергии активации всего на 0,1 эВ, надежность токопроводящей системы увеличивается в 55 раз. Величина Еа зависит 3 9585 1 2007.08.30 как от материала проводника, так и от совершенства его кристаллической структуры. Совершенство системы металлизации, в частности дефектность металлической пленки, определяемая ее кристаллической структурой, оказывает влияние на энергию активации процесса массопереноса. С увеличением дефектности Еа снижается, процесс массопереноса ускоряется, что приводит к снижению ВНО. Происходит разрыв токоведущей дорожки и отказ прибора. Структура любой металлической пленки, в том числе и в составе рассматриваемой системы, зависит от глубины. На границе с барьерным слоем поликристаллического или аморфного кремния металлическая пленка является мелкокристаллической. Это обусловлено как особенностями конденсации пленки на подложке при ее вакуумном напылении,так и последующим их взаимодействием. Более высокая концентрация кремния в металлической пленке со стороны подложки приводит к меньшему размеру зерна. По мере отдаления от этой границы раздела размер зерна металлической пленки увеличивается. Стандартно используемые толщины пленок сплавов алюминия, как следует из описания прототипа, составляют от 0,5 до 2,0 мкм. При этом размер зерна на ее поверхности может на порядок превышать размер зерна на границе с барьерным слоем. Наличие мелкокристаллической фазы в полученной системе металлизации в области барьерного слоя отрицательно сказывается на ее устойчивости к электромиграции, поскольку основным механизмом этого процесса, как было отмечено выше, является перенос вещества по границам зерен. Такой механизм обусловлен большей химической и электрической активностью границ зерен по сравнению с их объемом. Мелкокристаллическая фаза характеризуется большей площадью границ зерен и большим количеством оборванных связей. Для отрыва атома, находящегося в области межзеренной границы, требуется меньшее значение энергии, т.к. данный атом связан с кристаллической решеткой слабее. Поэтому такая структура обладает относительно меньшей устойчивостью к электромассопереносу. Таким образом, качество получаемой системы металлизации остается сравнительно низким вследствие высокого массопереноса материала под воздействием электрического тока, приводящего в течение эксплуатации полупроводникового прибора к разрыву токоведущих дорожек и отказу прибора. Задачей заявляемого изобретения является повышение качества получаемой системы металлизации за счет повышения ее устойчивости к электромиграции. Поставленная задача решается тем, что в способе 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 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,барьерный слой формируют путем нанесения гидрогенизированного аморфного кремния. Сущность заявляемого технического решения заключается в пассивации межзеренных границ в области барьерного и переходного слоев водородом, входящим в состав гидрогенизированного аморфного кремния (другие названия -, -кремний). Водород проявляет высокую химическую активность в различных структурах. Вследствие своего небольшого размера он легко диффундирует по границам зерен и присоединяется на ненасыщенные связи. Межзеренные границы характеризуются большим количеством ненасыщенных связей и хорошо адсорбируют водород. Поэтому их электрическая и химическая активность уменьшается, что в целом приводит к повышению устойчивости такой системы к электромиграции. Процессы формирования системы металлизации после формирования барьерного слоя проводятся при температуре не выше 500 С. Водород же испаряется из гидрогенизированного аморфного кремния за счет эффузии при температуре выше 650 С 6. Таким образом, заявляемый способ изготовления системы металлизации обеспечивает ее стабильность. Частичное растворение -кремния в материале металлической пленки в процессе последующей термообработки приводит к высвобождению 4 9585 1 2007.08.30 части атомов водорода. Эти атомы проникают в металлическую пленку и адсорбируются в переходном слое, приграничном с барьерным, т.к. адсорбционная активность этой части металлической пленки наиболее велика вследствие того, что площадь межзеренных границ здесь выше. В итоге полученную систему металлизации можно условно разделить на несколько слоев. Первым из них является слой диэлектрика, затем барьерный слой гидрогенизированного аморфного кремния, далее следует тонкий переходной мелкокристаллический слой металла, насыщенный водородом, а затем непосредственно крупнокристаллическая пленка металла, несущая основную токовую нагрузку. Свойства диэлектрика при использовании заявляемой последовательности технологических процессов не меняются. Гидрогенизированный аморфный кремний, как и легированный поликристаллический кремний, используемый прототипом, имеет собственную электронную проводимость и малую толщину, поэтому не ухудшает электрические характеристики полученной токопроводящей системы. Высокая концентрация водорода в -кремнии препятствует также образованию переходного слоя -типа проводимости за счет легирования барьерного слоя алюминием. Далее следует переходной мелкокристаллический слой металлической пленки. Пассивация ненасыщенных связей в области межзеренных границ этого слоя водородом, источником которого является -кремний, приводит к снижению их концентрации и повышению энергии активации процесса электромиграции. Как следствие, повышается время наработки на отказ, т.е. надежность полученной системы металлизации. Свойства последнего крупнокристаллического слоя полученной структуры остаются практически неизменными. Можно только отметить незначительное повышение его качества за счет воздействия следовых количеств водорода, проникшего сквозь переходной слой. Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, где представлены полученные зависимости ВНО от температуры для заявляемого способа и прототипа. При протекании электрического тока через полученную систему металлизации вследствие меньшей электрической активности дефектов и межзеренных границ скорость массопереноса уменьшается, что приводит к повышению ВНО. Это обусловлено тем, что для осуществления массопереноса необходим отрыв переносимого атома из кристаллической решетки. Энергия отрыва уменьшается по мере уменьшения количества химических связей,соединяющих данный атом с кристаллом. Водород, присоединяясь на ненасыщенные связи, способствует увеличению энергии связи данного атома с кристаллом и, следовательно,к повышению энергии его отрыва. Общая концентрация ненасыщенных связей уменьшается, что приводит к повышению энергии активации данного процесса и снижению электромиграции. Заявляемый способ был реализован при изготовлении приборов 431. Активные элементы структуры формировали стандартными методами в соответствии с требованиями действующей технической документации. После формирования межуровневой диэлектрической изоляции и вскрытия в ней контактных окон на всю поверхность пластины наносили пленку гидрогенизированного аморфного кремния на установке Изотрон-1 путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температуре 575 С. Толщина полученной пленки указана в таблице. После этого на всю поверхность пластин наносили пленку сплава алюминия. Толщина полученной пленки и тип используемого сплава указаны в таблице. Далее стандартными методами формировали требуемый топологический рисунок токопроводящей системы и проводили ее термообработку при 450 С для получения требуемой кристаллической структуры. Затем формировали пассивирующее покрытие требуемой топологической конфигурации и проводили контроль функционирования полученных 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 переходного контактного сопротивления кремний и кремний проводили на цепочках из 20 контактов. При этом сопротивление -областей кремния составляло 4 ом/квадрат,5 9585 1 2007.08.30 а -областей - 160 ом/квадрат. Измерение электропараметров полученных структур проводили стандартными методами, контроль устойчивости к электромиграции проводили в соответствии с 7. Результаты контроля приведены в таблице. Полученные зависимости(/2) - 1000/Т для заявляемой последовательности операций (максимальное значение линия 1-1,12 эВ, минимальное значение линия 2-1,05 эВ) и прототипа (линия 3-0,78 эВ) представлены на фиг. 1. Из приведенных данных видно, что заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов обеспечивает по сравнению с прототипом бльшую энергию активации процесса электромиграции при прочих равных электрофизических характеристиках. Бльшая энергия активации электромиграции для заявляемого способа свидетельствует о более высокой устойчивости полученной системы металлизации к данному явлению, т.е. о ее повышенной надежности. СопроТолщина тивление Толщина Выход пленки Тип алюмицепочкипленки алюмигодных контактов ниевого п/п кремния,ниевого кристалсплава Сопротивление цепочки контактов -кремний,кОм высокий процент брака структур нарушение точности геометрического рисунка см. чертеж,зависимость 2 9585 1 2007.08.30 Таким образом, заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом обеспечивает более высокое ее качество за счет повышенной устойчивости к электромиграции. 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. - С. 488. 3. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 2 Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М. Мир, 1986. С. 453. 4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Мн. Высшая школа, 1989. - С. 38-49 (прототип). 5. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Мн. Наука и техника, 1980. - С. 296. 6. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып. 1. Структура, приготовление и приборы Пер. с англ. / Под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. - М. Мир,1987. - С. 368. 7. 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. 7