Способ изготовления полупроводникового прибора

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(72) Авторы Емельянов Виктор Андреевич Емельянов Антон Викторович Сенько Сергей Федорович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод полупроводниковых приборов(57) Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий формирование на полупроводниковой подложке с активными элементами слоя на основе поликристаллического кремния требуемой конфигурации, его плазмохимическую обработку с последующим воздействием в том же технологическом цикле газообразным аммиаком, нанесение слоя полиамидной кислоты, ее термообработку для превращения в полиимид, вскрытие контактных окон, напыление металлической пленки и формирование рисунка межсоединений,отличающийся тем, что плазмохимическую обработку проводят путем последовательного воздействия сначала плазмы кислорода до образования оксида кремния толщиной 7-10 нм, а затем плазмы фторсодержащего газа до удаления 1-5 нм образовавшегося оксида кремния. 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 полиимида к подложке, что приводит к невозможности получения структур приемлемого качества. Это приводит к необходимости принятия дополнительных мер по повышению адгезии 11168 1 2008.10.30 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 -СО, 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, -С 2 Н 5 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 толщина промежуточного слоя уменьшилась до размеров мономолекулярного слоя -2. Это позволяет значительно улучшить характеристики получаемых структур, поскольку все группы -2 2 11168 1 2008.10.30 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 пленками на основе кремния и его диоксида как основными конструктивными материалами ИС. Пленки на основе диоксида кремния играют роль диэлектрика, а пленки на основе кремния, например поликристаллического кремния, силицидов металлов, выполняют роль как конструктивных элементов активной структуры (например, затворов полевых транзисторов), так и первого уровня электрических межсоединений. Ввиду относительно высокого сопротивления таких пленок межсоединения из них требуют большой площади кристалла. При формировании межуровневой диэлектрической изоляции на основе полиимидной пленки ее часть контактирует с пленками на основе диоксида кремния, а часть - с пленками на основе кремния. При модификации поверхности структуры путем последовательной обработки во фторсодержащей плазме и атмосфере аммиака аминогруппы присоединяются как к поверхности кремния, так и к поверхности диоксида кремния. При последующем нанесении пленки ПИ адгезионные связи формируются на всей поверхности структуры. Однако оказалось, что после некоторого хранения структур, например более 20 мин,непосредственно перед нанесением ПАК адгезия получаемой пленки к элементам структуры, сформированным из пленок на основе кремния, заметно падает. Это проявляется в отслаивании пленки ПИ при зачистке контактных окон к этим элементам при формировании второго уровня металлизации. В то же время адгезия пленки к областям, сформированным из пленки на основе диоксида кремния, оставалась приемлемой. Причиной такого снижения адгезии является потеря химической активности модифицированных поверхностей кремния за счет их окисления кислородом воздуха. Известно,что поверхность чистого кремния на воздухе быстро окисляется с образованием тонкой(2-3 нм) пленки собственного оксида, которая поглощает аминогруппы. При обработке таких пленок в плазме фтора тонкий слой оксида удаляется, и аминогруппы присоединяются непосредственно к поверхности кремния. Если нанесение ПАК проводить сразу же после обработки, когда модифицированная поверхность активна, адгезия пленок получается высокой. Однако поскольку в технологии микроэлектроники используются как индивидуальные, так и групповые методы обработки, то межоперационный срок хранения для каждой пластины разный. Модификация поверхности структур проводится групповым методом, когда в камеру установки плазмохимической обработки загружается и обрабатывается сразу партия пластин. Нанесение ПАК является индивидуальным методом обработки, каждая пластина обрабатывается в порядке очереди, определяемой ее положением в кассете загрузки. Поэтому срок хранения от модификации поверхности до нанесения ПАК для первой пластины в загрузочной кассете и последней отличается на время обработки всех предшествующих пластин. Как правило, это время составляет величину порядка 20 мин, что является критическим значением для активности аминогрупп на кремнии поверхность успевает окислиться. В результате на всех пластинах партии получаются различные значения адгезии ПИ в подложке, а некоторые структуры приходится даже реставрировать из-за низкого качества. При зачистке контактных окон перед напылением пленки металла продукты травления проникают между пленкой полиимида и подложкой,приводя к паразитным утечкам между активными элементами структуры, что заметно снижает качество изготавливаемых приборов. Кроме того, существующие процессы плазмохимического травления пленок на основе кремния и диоксида кремния характеризуются таким параметром как селективность,который определяется отношением скоростей травления этих материалов. Типичные значения селективности составляют величину порядка 10 4, 5. Это означает, что при моди 3 11168 1 2008.10.30 фикации поверхности скорость травления одной из пленок в 10 раз выше, чем другой. Это вынуждает использовать во избежание растрава пленок малые и технологически неудобные времена плазмохимической обработки поверхности. 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 слоя на основе поликристаллического кремния требуемой конфигурации, его плазмохимическую обработку с последующим воздействием в том же технологическом цикле газообразным аммиаком, нанесение слоя полиамидной кислоты, ее термообработку для превращения в полиимид, вскрытие контактных окон, напыление металлической пленки и формирование рисунка межсоединений, плазмохимическую обработку проводят путем последовательного воздействия сначала плазмы кислорода до образования оксида кремния толщиной 7-10 нм, а затем плазмы фторсодержащего газа до удаления 1-5 нм образовавшегося оксида кремния. Сущность заявляемого технического решения заключается в предотвращении поглощения модифицирующих поверхность аминогрупп растущим оксидом кремния. Введение операции плазмохимической обработки в плазме кислорода перед модификацией поверхности приводит к окислению поверхности пленки на основе поликристаллического кремния. Начальная скорость процесса окисления достаточно высока, но со временем она быстро падает и реакция практически прекращается, т.е. этот процесс является самоостанавливающимся. Измеренные значения предельной толщины полученного оксида составляют 7-10 нм вне зависимости от типа пленки (легированный поликремний,силициды тугоплавких металлов и др.). Такая толщина заметно больше толщины собственного оксида, образующегося при хранении структур на воздухе (2 нм), и поэтому является гарантом стабильности полученной поверхности. Время окисления зависит от режимов обработки (давления кислорода, мощности и т.д.), но в большинстве случаев не превышает 5 мин. Типичные значения составляют 0,5-1 мин. Такие процессы обработки в плазме кислорода широко используются в технологии микроэлектроники, например, для удаления фоторезиста, формирования контактных окон в полиимиде, очистки камер установок плазмохимической обработки и др. Режимы обработки в данном случае принципиального значения не имеют. Единственным требованием к данной операции является формирование на поверхности полупроводниковой структуры оксида необходимой толщины. Последующая обработка поверхности во фторсодержащей плазме приводит к уменьшению толщины полученного оксида за счет ее травления ионами фтора. Остаточная толщина модифицированного оксида для обеспечения стабильности должна быть не меньше толщины оксида, образующегося при хранении структур на воздухе, т.е. 2 нм. Хранение таких структур на воздухе не приводит к дальнейшему увеличению толщины оксида и поглощению сформированных на его поверхности аминогрупп. Допустимый срок хранения структур от их модификации до нанесения ПАК значительно возрастает. Это обеспечивает образование адгезионных связей между пленкой ПИ и подложкой вне зависимости от положения пластины в загрузочной кассете при нанесении ПАК, как в случае с прототипом. Режимы обработки структур во фторсодержащей плазме принципиального значения не имеют. Важным моментом в данном случае является лишь обеспечение остаточной толщины защитной оксидной пленки не менее 2 нм. Это легко обеспечивается выбором необходимого времени травления при известной скорости травления. В связи с небольшой толщиной обрабатываемой пленки лучше использовать процессы, обеспечивающие низкие скорости травления. Это позволит получить удобные с технологической точки зрения длительности проведения процесса, например 5-10 с. Минимальная толщина удаляемой пленки составляет 1 нм. При меньших значениях существует значительный риск того, что 4 11168 1 2008.10.30 не вся поверхность пленки будет модифицирована ввиду неоднородности газоплазменных потоков и процесса травления. Дополнительным преимуществом заявляемого способа является то, что в процессе модификации поверхности структуры она целиком образована пленкой на основе оксида кремния. Это предупреждает возникновение нежелательных явлений, связанных с различной скоростью травления поверхности в различных ее точках, и заметно облегчает выбор режимов обработки. Обработка поверхности газообразным аммиаком приводит к замещению атомов фтора на аминогруппу. Аналогичная реакция широко используется в органическом синтезе для получения аминов. Последующее нанесение слоя ПАК и ее термообработка 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. Заявляемый способ поясняется уравнениями химических реакций. Процесс имидизации полипиромеллитамидной кислоты протекает при ее нагревании согласно реакции 6 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. На первом этапе при обработке в плазме кислорода кремний окисляется до диоксида согласно реакции 22. На втором этапе полученный слой 2 модифицируется фтором при обработке во фторсодержащей плазме согласно реакции Поверхность диоксида кремния 11168 1 2008.10.30 При последующей обработке аммиаком атомы фтора замещаются на аминогруппы согласно реакции Поверхность диоксида кремния На воздухе связь - неустойчива и быстро гидролизуется, поэтому процесс аминирования необходимо проводить в едином технологическом цикле. Связь -2 довольно стабильна. Такие структуры могут храниться определенное время. При нанесении ПАК на модифицированную поверхность и ее термообработке функциональные группы -СООН полимера вступают в реакцию с поверхностными аминогруппами с образованием прочной адгезионной связи согласно схеме Поверхность диоксида кремния. После имидизации пленки в ней вскрывают контактные окна, проводят их зачистку,например, травлением в растворе разбавленной плавиковой кислоты, наносят пленку металла и формируют рисунок межсоединений. Изложенные выше принципы повышения адгезии полиимидной пленки к полупроводниковым структурам справедливы также для других типов полиимидов, поскольку сущность протекающих при этом процессов не меняется. 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 р-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. В результате были получены структуры, поверхность которых образована областями локального оксида кремния, разделяющего транзисторы различных типов проводимости, областями подзатворного оксида кремния, защищающего области истоков и стоков транзисторов, и областями легированного поликристаллическо 6 11168 1 2008.10.30 го кремния, служащего электродами затворов, а также выполняющими роль резисторов и первого уровня электрической разводки. Поскольку на данном этапе проводятся контрольные операции по измерению характеристик полученных транзисторов, в частности их порогового напряжения, то области поликристаллического кремния всегда являются открытыми (не защищенные оксидом). Далее часть структур обрабатывали на установке плазмохимической обработки 08 ПХО 100 Т-004 сначала в плазме кислорода в течение 1-5 мин, а затем в плазме смеси элегаза 6 с кислородом или 4 с кислородом. Добавку кислорода использовали для снижения скорости травления, обеспечивающей удобное технологическое время проведения процесса. Время травления выбирали исходя из достигнутых скоростей травления 2 на контрольных пластинах 0,35 и 0,24 нм/с соответственно. По окончании травления плазмообразующие газы откачивали, а камеру продували аммиаком в течении 30 с при давлении 450 Па. 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 7. 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. Межоперационный срок хранения структур от модификации до нанесения ПАК составил 20-40 мин. Одновременно с рабочими формировали тестовые структуры для контроля адгезии. На окисленные кремниевые пластины наносили пленку легированного поликристаллического кремния и проводили его модификацию в соответствии с заявляемым способом и способом-прототипом. Через 30 минут хранения на воздухе на них формировали пленку полиимида и проводили контроль ее адгезии к подложке методом параллельных надрезов согласно 8 (Примечание. Величина адгезии возрастает в ряду 321). Установлено,что структуры, изготовленные в соответствии со способом-прототипом, характеризуются значением адгезии 3 и 2 баллов, а структуры, изготовленные в соответствии с заявляемым способом, характеризуются значениями только 1 баллов. Затем на пластинах формировали маску фоторезиста для травления контактных окон. Контактные окна травили в плазме кислорода, после чего удаляли фоторезист в холодной смеси моноэтаноламина и перекиси водорода. Зачистку контактных окон проводили 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 2 с образованием 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 полиимида, измеренное на тестовых элементах полученных структур, во всех случаях составило величину от 270 до 305 В вне зависимости от способа изготовления. Поскольку контактные окна к поликремнию вскрывают на тех его участках, которые лежат на локальном оксиде кремния, то растравы этих окон 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. 7 11168 1 2008.10.30 Способ изгоРежимы обработки Выход годных критовления Толщина Глубина трав- 1, Вольт 2, Вольт сталлов,структур оксида, нм ления, нм 7 1 45,3 35,5 44,4 7 5 47,2 37,2 56,1 10 1 46,4 36,4 39,6 10 3 46,5 39,8 46,7 Заявляемый 10 5 44,5 36,7 50,1 10 10 39,1 28,1 32,2 7 10 40,8 25,8 27,4 2 5 39,9 30,5 31,5 Прототип 40,3 27,7 31,1 Из таблицы видно, что заявляемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить напряжение пробоя структур от 40 В до 45-47 В, а напряжение, при котором ток утечки через структуру достигает 1 нА, с 27 В до 35-39 В. Одновременно вырос съем годных кристаллов. Использование запредельных режимов, когда весь выращенный в кислородной плазме оксид стравливается в процессе модификации поверхности фтором,приводит к результатам, аналогичным прототипу. Оценка величины адгезии показывает,что структуры, изготовленные в соответствии с заявляемым способом, более устойчивы к межоперационным срокам хранения. 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. 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 системы металлизации СБИС с использованием полиимида // Микроэлектроника, 2002. - Т. 31. -3. С. 201-210 (прототип). 4. Достанко А.П., Кундас С.П., Бордусов С.В. и др. Плазменные процессы в производстве изделий электронной техники, в 3-х т. - Т. 3 / Под общ. ред. академиков НАН Беларуси А.П. Достанко и П.А. Витязя. - Мн. ФУАинформ, 2001. - С. 292. 5. Плазменная технология в производстве СБИС Пер с англ. с сокращ. / Под ред. Н.Айнспрука, Д. Брауна. - М. Мир, 1987. - С. 472. 6. Выгодский Я.С. Полиимиды. Химическая энциклопедия. В 5 т. Т. 3. Меди-Полимерные. Редкол. Кнунянц И.Л. (гл. ред.) и др. - М. Большая Российская энциклопедия, 1992. С. 627-629. 7. Лаки электроизоляционные АД 9103 и АД 9103 ПС. Технические условия ТУ 6-19-283-85. 8. ГОСТ 15140-78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии. - М. Изд-во стандартов, 1978. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8