Межуровневая диэлектрическая изоляция полупроводникового прибора

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МЕЖУРОВНЕВАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Шведов Сергей Васильевич Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Межуровневая диэлектрическая изоляция полупроводникового прибора, состоящая из слоя на основе диоксида кремния, адгезионного слоя и слоя полипиромеллитимида, отличающаяся тем, что в качестве адгезионного слоя используют пленку нитрида кремния толщиной 0,02-0,15 мкм с гидрогенизированной поверхностью.(56) 1. Технология СБИС В 2-х кн. Кн. 2 Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М. Мир, 1986. - С. 453. 2. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Минск. Наука и техника, 1980. - С. 296. 3.//. 1981. - . 83. -2. - . 145-163. 4. Заявка ФРГ 2638799, МПК 01 21/94, 1978 (прототип). 5. Лаки электроизоляционные АД 9103 и АД 9103 ПС. Технические условия ТУ 6-19-283-85. 6. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии. - М. Изд-во стандартов, 1978. 61962010.04.30 Полезная модель относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использована при изготовлении кристаллов интегральных схем (ИС) и дискретных полупроводниковых приборов. Традиционно в качестве межуровневой диэлектрической изоляции полупроводниковых приборов используют пленки на основе диоксида кремния толщиной 0,35-0,45 мкм,полученные разнообразными методами, в которых сформированы контактные окна в соответствии с конфигурацией топологических элементов 1. Основным недостатком этих пленок является их конформность. Микрорельеф поверхности пленки в точности повторяет микрорельеф поверхности сформированной активной структуры. Наличие развитого рельефа, характерного для современных ИС, приводит к обрыву дорожек металлизации, сформированных на таком диэлектрике. Это связано с уменьшением толщины металлической пленки в процессе ее формирования на ступеньках топологического микрорельефа ИС, что приводит в процессе эксплуатации приборов к локальному разогреву этих участков и их разрушению вследствие процессов электромиграции 2. Одним из направлений повышения качества межуровневого диэлектрика является использование полиимидных материалов. Наибольшее распространение среди них получили пленки на основе полипиромеллитимида 3. Отличительной особенностью получения этих пленок является использование в качестве исходного материала раствора полиамидокислоты (ПАК) в диметилформамиде, 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 ПИ к подложке. Это приводит к невозможности получения структур приемлемого качества, т.к. при вскрытии контактных окон к активным областям и их зачистке полиимидная пленка отделяется от подложки, а граница их раздела засоряется продуктами травления. 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. Известна межуровневая диэлектрическая изоляция полупроводниковых приборов, состоящая из последовательно сформированных слоев диоксида кремния толщиной 1,6 мкм,адгезионного слоя и слоя полипиромеллитимида, полученного в результате термообработки пленки полиамидокислоты толщиной 1,8-2,2 мкм, в которых выполнены контактные отверстия в соответствии с конфигурацией активных элементов 4. Толщины составляющих изоляцию слоев определяются конструктивными требованиями конкретного полупроводникового прибора и в общем случае могут составлять значения для диоксида кремния 0,05 мкм и более, а для полиимида 0,5 мкм и более. Адгезионный слой формируют путем гидролиза 0,1 раствора -аминопропилтриэтоксисилана. В результате его термообработки формируется пленка диоксида кремния,модифицированная аминогруппами -2. При последующем нанесении полиамидокислоты и термообработке функциональные группы -, входящие в ее состав, вступают в реакцию с аминогруппами, входящими в состав полученного адгезионного слоя, с образованием химической связи , обеспечивающей необходимую адгезию между слоями. Недостатки данной изоляции связаны с низким качеством адгезионного слоя. Его гидролиз проводится при относительно 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 2(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. ПАК,используемая для формирования пленки ПИ, сравнительно сильно загрязнена различными катионными примесями. В процессе формирования пленки ПИ они сорбируются на адгезионном слое с образованием электрически активных дефектов. В результате снижается напряжение пробоя изоляции и возрастают токи утечки. Качество межуровневой диэлектрической изоляции в целом падает. Задачей настоящей полезной модели является повышение качества межуровневой диэлектрической изоляции за счет улучшения ее электрических характеристик. Поставленная задача решается тем, что в межуровневой диэлектрической изоляции полупроводникового прибора, состоящей из слоя на основе диоксида кремния, адгезионного слоя и слоя полипиромеллитимида, в качестве адгезионного слоя используют пленку нитрида кремния толщиной 0,02-0,15 мкм с гидрогенизированной поверхностью. Сущность заявляемого технического решения заключается в повышении качества адгезионного слоя. Пленки нитрида кремния в настоящее время широко используются в качестве конструктивного элемента ИС. Процессы формирования нитрида кремния хорошо изучены,технология их получения отработана. Однако для обеспечения приемлемой адгезии полиимида к нитриду необходимым условием является наличие на его поверхности реакционно способных аминогрупп. Это достигается путем гидрогенизации нитрида кремния, например, в плазме водорода. Бомбардировка поверхности нитрида кремния ионами и радикалами водорода приводит к тому, что 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 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 - полиамидокислоты с образованием прочной адгезионной связи между пленкой образовавшегося полиимида и нитридом кремния. Пленка нитрида кремния обладает высокой адгезией к пленкам на основе диоксида кремния и хорошо совместима с ними. Гидрогенизированная поверхность нитрида кремния обеспечивает приемлемую адгезию полиимидного слоя к нитриду. Существующие методы получения нитрида кремния и его гидрогенизации обеспечивают требуемую чистоту межуровневой изоляции, чем и достигается повышение ее качества. Отсутствие адсорбента на границе полиимида и диоксида кремния обеспечивает и отсутствие электрически активных дефектов. Кроме того, пленки нитрида кремния характеризуются высокими барьерными свойствами по отношению к катионным загрязнениям, что обеспечивает дополнительные преимущества заявляемой конструкции. Минимальная толщина нитрида кремния, равная 0,02 мкм, обусловлена тем, что при меньших значениях существующие методы получения таких пленок не обеспечивают их сплошность, формируемая пленка носит островковый характер. Кроме того, в процессе гидрогенизации нитрида незначительная его часть стравливается. При этом обнажается поверхность пленки на основе диоксида кремния, к которой полиимид имеет очень слабую адгезию. Толщина пленки нитрида кремния более 0,15 мкм нецелесообразна в связи с тем,что затраты на ее формирование увеличиваются без получения дополнительных преимуществ. Кроме того, в структуре растут механические напряжения, которые приводят к возникновению характерных дефектов, в частности пор в диэлектрической изоляции, что приводит к снижению напряжения ее пробоя. 3 61962010.04.30 Толщина поверхностного слоя гидрогенизированного нитрида кремния зависит от энергии ионов водорода. С увеличением энергии глубина проникновения ионов водорода в нитрид кремния возрастает и толщина этого слоя растет. Поскольку энергия ионов в плазме очень мала, то толщина такого гидрогенизированного слоя также ничтожно мала,но это не имеет практического значения, поскольку в формировании адгезионных связей участвуют только аминогруппы, расположенные непосредственно на поверхности пленки. В принципе вся пленка нитрида может быть гидрогенизированной, т.е. адгезионный слой может состоять только из гидрогенизированного нитрида кремния. Однако с практической стороны в силу технологических причин удобнее использовать именно пленки нитрида с гидрогенизированной поверхностью. Заявляемое техническое решение поясняется фигурой, где схематически изображена межуровневая диэлектрическая изоляция, сформированная в соответствии с заявляемым техническим решением. На чертеже приняты следующие обозначения 1 - полупроводниковая подложка с активными элементами 1.1, 2 - межуровневая диэлектрическая изоляция, состоящая из пленки на основе диоксида кремния 2.1, адгезионного слоя 2.2 и слоя полиимида 2.3, 3 - дорожки металлизации. Изоляция работает следующим образом. Изолирующими являются все слои. Суммарное напряжение пробоя изоляции 2 между металлизацией 3 и подложкой 1 слагается из напряжений пробоя каждого слоя 2.1, 2.2 и 2.3 (примечание индексы соответствуют обозначению слоя изоляции на фигуре. Наличие электрически активных дефектов на границе раздела слоев 2.2 и 2.3, что имеет место для прототипа, приводит к уменьшению как 2.2,так и 2.3. Адгезионный слой 2.2 на основе нитрида кремния не является адсорбентом примесей, что обеспечивает отсутствие электрически активных дефектов внутри изоляции и позволяет получить максимальные значения всех составляющих 2.1, 2.2 и 2.3. Обеспечение требуемой адгезии в заявляемом техническом решении поясняется уравнениями химических реакций. Процесс имидизации полипиромеллитамидной кислоты протекает при ее нагревании согласно реакции 3 Отсюда видно, что химическую активность в ПАК проявляют кислотные группы- и аминогруппы . Группы находятся в основной цепи макромолекулы, а группы - можно рассматривать как боковые ветви и поэтому обладающие большей подвижностью по сравнению с . В связи с этим существующие методы повышения адгезии пленок ПИ основаны на использовании химической активности групп -, а поверхность полупроводниковой структуры модифицируется аминогруппами. Процесс гидрогенизации поверхности нитрида кремния в плазме водорода можно представить в виде схемы химической реакции 4 Формирование на поверхности структуры полиимидной пленки и образование адгезионных связей протекают согласно схеме Поверхность нитрида кремния Таким образом, заявляемая совокупность слоев межуровневой диэлектрической изоляции обеспечивает 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. Заявляемую изоляцию испытывали в составе полупроводниковых приборов серии К 588 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 диоксид и пленку легированного поликристаллического кремния. Далее на всех структурах стандартными методами в соответствии с тех 5 61962010.04.30 нологическим 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 диоксида кремния толщиной 0,1 мкм (слой 2.1). Затем на всю поверхность части структур наносили пленку нитрида кремния (слой 2.2) парофазным методом за счет реакции дихлорсилана с аммиаком. Толщина пленки указана в таблице. Далее проводили гидрогенизацию поверхности нитрида кремния в плазме водорода на установке плазмохимической обработки 08 ПХО 100 Т-004 в течение 10 с. На другой части структур формировали адгезионный слой в соответствии с прототипом. Затем на все структуры наносили методом центрифугирования на автомате нанесения фоторезиста 08 ФН-125 раствор полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде 5. 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 (слой 2.3) 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 гидрогенизацию. Затем формировали пленку полиимида и проводили контроль ее адгезии к подложке методом параллельных надрезов согласно 6 (примечание. величина адгезии возрастает в ряду 321). Установлено, что структуры, изготовленные в соответствии с прототипом, характеризуются значением адгезии 2 баллов, а структуры, изготовленные в соответствии с заявляемой совокупностью конструктивных элементов, характеризуются значениями только 11 баллов. После вскрытия контактных окон на рабочих структурах 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. Оценку проводили методом оптической микроскопии при увеличении 250. Установлено, что растравы отсутствуют на всех структурах. 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. Для оценки токов утечки измеряли напряжение 1, при котором ток через изоляцию составлял 1 нА. Результаты контроля приведены в таблице. Способ изТолщина нитриготовления да кремния, мкм структур Примечание отсутствие адгезии полиимида на локальных участках механические напряжения в структуре, коробление слабая адгезия полиимида к подложке 61962010.04.30 Из таблицы видно, что заявляемая совокупность слоев в составе межуровневой диэлектрической изоляции полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом позволяет повысить напряжение пробоя изоляции от 270 до 310-330 В, а напряжение, при котором ток утечки через структуру достигает 1 нА, с 210 до 285-300 В. Одновременно вырос выход годных кристаллов. Использование запредельных значений заявляемых параметров приводит к результатам, близким к прототипу. Таким образом, заявляемая межуровневая диэлектрическая изоляция полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом характеризуется более высоким качеством. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7