Пленочная токопроводящая система для кремниевых полупроводниковых приборов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПЛЕНОЧНАЯ ТОКОПРОВОДЯЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ 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. - Минск. Высшая школа, 1989. - С. 44-48.1825236 1, 1997.10070087 , 1998.6228764 1, 2001.5369300 , 1994.(57) Пленочная токопроводящая система для кремниевых полупроводниковых приборов,содержащая последовательно сформированные в соответствии с топологией приборов барьерный слой толщиной 0,005-0,050 мкм и слой сплава алюминия толщиной 0,5-2,0 мкм,отличающаяся тем, что барьерный слой выполнен из гидрогенизированного аморфного кремния. Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов. 9889 1 2007.10.30 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 токопроводящих систем и их отказу. Это связано с тем, что при протекании по проводнику 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 определяется устойчивостью их токопроводящих систем 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. Первоначально в качестве токопроводящей системы для электрического соединения элементов полупроводниковых приборов использовали пленки чистого алюминия толщиной порядка 1 мкм заданной топологической конфигурации 2. Недостатками такой токопроводящей системы являются высокая взаимная растворимость ее материала (алюминия) и материала подложки (кремния) и массоперенос материала пленки под воздействием технологических факторов в процессе изготовления полупроводникового прибора, а также под воздействием электрического поля в процессе его эксплуатации. Это приводит к электрическим закороткам переходов, лежащих 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). Так, например, известна также пленочная токопроводящая система для кремниевых полупроводниковых приборов,представляющая собой пленку алюминия толщиной порядка 1 мкм заданной топологической конфигурации, легированную кремнием до концентрации 1-33. Наличие кремния в пленке алюминия замедляет процесс растворения материала подложки в пленке. Однако, как оказалось, и такая токопроводящая система 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 хорошо взаимодействует с оксидом фосфора, входящим в состав фосфоросиликатного стекла, что приводит к повышению дефектности границы раздела токопроводящей системы с диэлектриком вследствие коррозии металла. Это в значительной степени способствует протеканию явлений массопереноса в материале токопроводящей системы. Третьим фактором, ответственным за недостатки рассматриваемой пленочной токопроводящей системы, 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 токопроводящей системы происходит преимущественно на ступеньках топологического рельефа. 2 9889 1 2007.10.30 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 токопроводящей системе является использование барьерных слоев и легирование алюминия различными элементами, т.е. использование сплавов алюминия. Выбор конкретного легирующего элемента при этом обусловлен преимущественно функциональным назначением и предстоящими условиями эксплуатации изготавливаемого прибора. Выбор материала барьерного слоя обусловлен главным образом материалами разделяемых фаз и также оказывает огромное влияние на процессы массопереноса. Уменьшение массопереноса по границам раздела пленок достигается также оптимизацией способов их получения и химического состава. Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является пленочная токопроводящая система заданной топологической конфигурации, включающая последовательно сформированные пленку поликристаллического или аморфного кремния толщиной 0,0050,050 мкм и пленку сплава алюминия толщиной около 1 мкм 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 тонких пленок 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, приводящем к уменьшению площади поперечного сечения проводникови возрастанию плотности тока , стойкость любой токопроводящей системы к электромиграции снижается. Поэтому прототип характеризуется недостатками, присущими предыдущим аналогам, хотя в меньшей степени. Даже такая токопроводящая система в ряде случаев не удовлетворяет современным требованиям по надежности вследствие неустойчивости к явлениям электромиграции. 3 9889 1 2007.10.30 Резервом повышения надежности системы является повышение энергии активации Еа процесса. При повышении энергии активации всего на 0,1 эВ надежность токопроводящей системы увеличивается в 55 раз. Величина Еа зависит как от материала проводника, так и от совершенства его кристаллической структуры. 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 токоведущей системе в области барьерного слоя отрицательно сказывается на устойчивости к электромиграции, поскольку основным его механизмом 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,следовательно, меньшей устойчивостью к электромассопереносу. Таким образом, качество рассматриваемой пленочной токопроводящей системы остается сравнительно низким вследствие высокого массопереноса материала под воздействием электрического тока вдоль токоведущих дорожек, приводящего в течение эксплуатации полупроводникового прибора к разрыву дорожек и отказу прибора. Задачей заявляемого изобретения является повышение качества пленочной токопроводящей системы за счет повышения ее устойчивости к электромиграции. Поставленная задача решается тем, что в пленочной токопроводящей системе для кремниевых полупроводниковых приборов, содержащей последовательно сформированные в соответствии с топологией приборов барьерный слой толщиной 0,005-0,050 мкм и слой сплава алюминия толщиной 0,5-2,0 мкм, барьерный слой выполнен из гидрогенизированного аморфного кремния. Сущность заявляемого технического решения заключается в пассивации межзеренных границ в области барьерного слоя 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 данной токопроводящей системы 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, заявляемая система после ее формирования остается стабильной. Частичное растворение -кремния в материале металлической пленки в процессе изготовления токопроводящей системы приводит к высвобождению 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. 4 9889 1 2007.10.30 В итоге полученную структуру пленочной токопроводящей системы можно условно разделить на несколько слоев. Первым из них является барьерный слой гидрогенизированного аморфного кремния, далее следует тонкий переходной мелкокристаллический слой металла, насыщенный водородом, а затем непосредственно крупнокристаллическая пленка металла, несущая основную токовую нагрузку. Интегральной характеристикой устойчивости системы к электромиграции, как было показано выше, является энергия активации Еа этого процесса. Совершенство токопроводящей системы, в частности ее дефектность, 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. Пассивация дефектов водородом, источником которого является -кремний, приводит к повышению энергии активации процесса электромиграции и, как следствие, к повышению времени наработки на отказ, т.е. повышает надежность токоведущей системы. 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. Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 представлено поперечное сечение заявляемой пленочной токопроводящей системы в составе полупроводникового прибора, а на фиг. 2 - полученные зависимости ВНО от температуры для заявляемой конструкции и прототипа. На фиг. 1 приняты следующие обозначения 1 - полупроводниковая пластина, 2 - активный элемент в полупроводниковой подложке, 3 - диэлектрическая пленка фосфоросиликатного стекла, 4 - пленка сплава алюминия, 5 - переходной слой, 6 - барьерный слой гидрогенизированного аморфного кремния. Из фиг. 1 видно, что барьерный слой гидрогенизированного аморфного кремния предотвращает непосредственный контакт сплава алюминия и фосфоросиликатного стекла, что предупреждает протекание коррозионных процессов, а также является источником кремния для насыщения им локальных областей сплава алюминия. При протекании электрического тока через заявляемую пленочную систему 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, повышению энергии его отрыва. Общая концентрация ненасыщенных связей уменьшается, что приводит к повышению энергии активации данного процесса и снижению электромиграции. Заявляемая токопроводящая система была реализована в качестве конструктивного элемента в составе изделия 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 5 9889 1 2007.10.30 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. Сопротивление цепочки контактов А - кремний,Ом 55 55 54 55 87 78 Толщина Толщина пленки Тип алю пленки алюмиминиевого п/п -кремниевого сплава сплава,ния, мкм мкм Сопротивление цепочки контактов А 1 - ркремний,кОм 2,2 2,2 2,2 2,1 2,9 2,8 Энергия активации Примечаэлектроние миграции,эВ 0,83 1,09 1,07 1,09 Высокий процент брака структур Нарушение точности геометрического рисунка фиг. 2, зависимость 2 Одновременно с рабочими формировали тестовые структуры для контроля параметров токопроводящей системы, в том числе ее устойчивости к электромиграции. Контроль переходного контактного сопротивления Акремний и Акремний проводили на цепочках из 20 контактов. При этом сопротивление -областей кремния составляло 4 Ом/квадрат, а р-областей - 160 Ом/квадрат. Измерение электропараметров полученных 6 9889 1 2007.10.30 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 конструкции (максимальное значение линия 1-1,12 эВ, минимальное значение линия 2-1,05 эВ) и прототипа (линия 3-0,78 эВ) представлены на фиг. 2. Из приведенных данных видно, что заявляемая конструкция пленочной токопроводящей системы для кремниевых полупроводниковых приборов обладает по сравнению с прототипом большей энергией активации процесса электромиграции при прочих равных электрофизических характеристиках. Большая энергия активации электромиграции для заявляемой конструкции свидетельствует о ее более высокой устойчивости к данному явлению, т.е. о повышенной надежности. Таким образом, заявляемая конструкция пленочной токопроводящей системы для кремниевых полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом характеризуется более высоким качеством 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. - М. Советское радио, 1980. - 424 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. - 238 с. (С. 45) (прототип). 5. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Минск. Наука и техника, 1980. - 296 с. 6. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Вып. 1. Структура, приготовление и приборы. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Джоунопулоса, Дж. Люковски. - М. Мир, 1987. 368 с. 7. Стандарт отрасли ОСТ 1114.1012-99. Микросхемы интегральные. Технические требования к технологическому процессу. Система и методы операционного контроля. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7