close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY11167

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 11167
(13) C1
(19)
H 01L 21/02
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
КРЕМНИЕВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА
(21) Номер заявки: a 20070103
(22) 2007.02.01
(43) 2007.08.30
(71) Заявитель: Производственное республиканское унитарное предприятие
"Завод полупроводниковых приборов" (BY)
(72) Авторы: Емельянов Виктор Андреевич; Емельянов Антон Викторович;
Сенько Сергей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Производственное
республиканское унитарное предприятие "Завод полупроводниковых приборов" (BY)
(56) СЕНЬКО С.Ф., СНИТОВСКИЙ Ю.П.
Микроэлектроника. - 2002. - Т. 31. № 3. - С. 201-210.
BY 7756 C1, 2006.
BY a20051184, 2006.
SU 1577617 A1, 1995.
JP 5235114 A, 1993.
EP 0443296 A1, 1991.
BY 11167 C1 2008.10.30
(57)
Способ изготовления системы металлизации кремниевого полупроводникового прибора, включающий формирование на кремниевой подложке с активными областями полиимидной диэлектрической пленки, формирование в этой пленке контактных окон к
активным элементам подложки, нанесение пленки сплава алюминия заданной толщины,
формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения
омических контактов, отличающийся тем, что термообработку проводят сначала в инертной атмосфере с добавлением 2-5 об. % воды в течение 3-10 мин, а затем в сухой инертной атмосфере в течение 10-20 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, 2]. 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
BY 11167 C1 2008.10.30
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
широко описан в технической литературе и включает последовательное формирование на
кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки, формирование в
этой пленке контактных окон к активным областям, нанесение пленки алюминия или его
сплава, формирование рисунка электрической разводки и последующую термообработку
для обеспечения требуемых электрофизических характеристик системы [3-6].
При этом в качестве диэлектрика используются преимущественно пленки на основе
диоксида кремния толщиной от 0,3 до 1,5 мкм. Толщина пленки алюминия или его сплава
составляет от 0,5 до 2,0 мкм. В качестве сплавов используют алюминий с добавками
кремния, меди, редкоземельных элементов и др. Суммарная доля добавок, как правило, не
превышает 5 %. В противном случае это приводит к заметному снижению электропроводности пленок. Процесс термической обработки полученной системы проводят обычно в
инертной атмосфере при температуре 450-550 °С в течение 5-30 мин. Он предназначен для
рекристаллизации алюминиевой пленки и формирования омического контакта алюминия
к кремнию. Инертная атмосфера требуется для избежания коррозии металлической пленки, приводящей к заметному снижению ее электропроводности. Температурный интервал
проведения процесса определяется температурой образования эвтектики алюминия с
кремнием (~577 °С), а временной - кинетикой их взаимодействия, а также раскисляющим
действием алюминия по отношению к оксиду кремния. Это связано с тем, что поверхность чистого кремния, в том числе и в контактных окнах, всегда покрыта тонкой пленкой
собственного оксида вследствие высокой химической активности кремния и его быстрого
окисления на воздухе при комнатной температуре. Оксид кремния является диэлектриком,
поэтому такая пленка препятствует формированию качественного контакта между алюминиевым проводником и активной областью полупроводника. С другой стороны, получаемая различными методами вакуумного напыления алюминиевая пленка является
довольно рыхлой и обладает повышенным электрическим сопротивлением. В течение
цикла термообработки получаемой системы металлизации алюминий взаимодействует с
оксидом кремния в контактных окнах с образованием оксида алюминия и чистого кремния. Получающийся оксид алюминия растворяется в алюминиевой пленке, за счет этого
область контакта зачищается от диэлектрика и формируется высококачественный контакт
алюминия с кремнием. Одновременно происходит рекристаллизация алюминиевой пленки
с ее уплотнением и заметным улучшением электрических характеристик.
Кроме того, взаимодействие алюминия с оксидом кремния происходит не только в областях контактов, но и на границе раздела с межуровневым диэлектриком. При этом также
образуются оксид алюминия и кремний, поглощаемые металлической пленкой. С одной
стороны, это приводит к повышению удельного сопротивления межсоединений, а с другой - к повышению устойчивости системы металлизации к электромиграции. Последнее
обеспечивается тем, что в условиях проведения термообработки продукты межфазного
взаимодействия диффундируют в металлическую пленку по границам зерен. Поскольку
массоперенос в тонких пленках происходит также по этому механизму, то окисление,
приводящее к потере электропроводности межзеренных границ, одновременно заметно
снижает и массоперенос под действием электрического тока. Происходит пассивация
межзеренных границ.
Таким образом, термообработка полученной системы металлизации обеспечивает
формирование омических контактов к активным областям и минимальное электрическое
сопротивление пленки металла. Температурно-временные параметры процесса термообработки определяются особенностями взаимодействия алюминия с оксидом кремния и
далее с кремнием в контактных окнах к активным областям прибора и на сегодняшний
день являются общепринятыми.
2
BY 11167 C1 2008.10.30
Недостатки такого техпроцесса связаны с тем, что уменьшение размеров элементов
достигается в основном использованием вертикальных стенок при формировании топологического рисунка в той или иной пленке, например поликристаллическом кремнии, лежащем под межуровневым диэлектриком. Технология получения пленок на основе диоксида
кремния обеспечивает их конформность, и межуровневый диэлектрик повторяет микрорельеф предыдущего слоя. При нанесении металлической пленки на такую структуру ее
толщина на боковых стенках оказывается заметно меньше, чем на горизонтальной поверхности. Это приводит в процессе эксплуатации готовых приборов к локальному разогреву этих участков, что сильно стимулирует процесс электромиграции. В итоге возникает
отказ прибора вследствие обрыва токоведущих дорожек на ступеньках топологического
рельефа.
Оценку устойчивости системы металлизации полупроводниковых приборов к электромиграции проводят обычно путем измерения времени tp, при котором происходит разрыв
токоведущей дорожки испытываемой тестовой структуры при повышенных температуре
(до 250 °С) и плотности протекающего через структуру тока (около 106 А⋅см-2). Величина tp
называется временем разрушения или временем наработки на отказ (ВНО). Полученные
при условиях испытаний данные экстраполируют на нормальные условия работы прибора.
Математически связь между tp и условиями испытаний выражается как
S
 E 
= Fj2 exp − a ,
tp
 kT 
где S - поперечное сечение проводника, F - эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик токопроводящей системы, удельного сопротивления материала пленки, условий теплоотвода, особенностей топологического микрорельефа тестовой структуры и т.п.,
j - плотность тока через структуру, Еа - энергия активации процесса электромиграции, k постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура [2, 7].
Отсюда видно, что при повышении степени интеграции, приводящей к уменьшению
площади поперечного сечения проводников S и возрастанию плотности тока j, стойкость
любой системы металлизации к электромиграции снижается. Поскольку для сильно
развитого микрорельефа высокие значения приобретает также коэффициент F, а площадь
поперечного сечения проводников S на ступеньках топологического рельефа сильно снижается, то ВНО таких приборов резко падает.
Выходом из сложившейся ситуации является использование пленок органических диэлектриков. Они наносятся методом центрифугирования, что обеспечивает необходимую
планарность и неразрывность покрытий. Это радикально решает проблему планаризации.
В качестве таких диэлектриков в последнее время все чаще выступают полиимиды (ПИ),
комплекс физико-химических свойств которых наиболее полно отвечает требованиям
микроэлектроники [8].
Наибольшее распространение среди них получили пленки на основе полипиромеллитимида. Отличительной особенностью их получения является использование в качестве исходного материала полиамидокислоты (ПАК), которая в результате термообработки превращается в полиимид.
Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления системы металлизации кремниевого полупроводникового прибора, включающий формирование на кремниевой подложке с активными областями полиимидной диэлектрической
пленки, формирование в этой пленке контактных окон к активным элементам подложки,
нанесение пленки сплава алюминия заданной толщины, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения омических контактов в инертной
атмосфере [9].
Процесс формирования полиимидной пленки включает нанесение на полупроводниковую пластину методом центрифугирования раствора ПАК, ее сушку для удаления раство3
BY 11167 C1 2008.10.30
рителя и термообработку при более высокой температуре, обеспечивающей превращение
полиамида в полиимид, иначе, имидизацию. С использованием полиимидного межуровневого диэлектрика можно получить до пяти уровней электрической разводки. Особенностью
проведения термообработки для получения омических контактов в данном случае является более узкий температурный интервал, ограниченный сверху температурой 510 °С. При
более высоких температурах существует опасность термодеструкции полимера даже в
инертной атмосфере.
Однако, несмотря на высокую планарность получаемых структур, ВНО полученных
систем металлизации оказалась заметно меньше ожидаемой величины, что свидетельствует об их недостаточной устойчивости к электромиграции. Причиной этого является принципиально иное взаимодействие алюминия с межуровневым диэлектриком на границе их
раздела. Вследствие химической инертности ПИ для обеспечения адгезии металлической
пленки к полиимиду способ-прототип использует модификацию поверхностного слоя ПИ
в полиамидокислоту. Другие авторы используют частично имидизированные пленки.
Требуемая адгезия достигается химическим взаимодействием ПАК с алюминием с образованием химической связи между ними в соответствии с реакцией:
HOOC
COOH
NH
CO
O
+Al
NH
CO
n
К другим атомам алюминия
AlOOC
CO
COOAl
NH
O
NH2
+H2
CO
n
Продукт реакции можно классифицировать как соль. Ее образование сопровождается
возникновением положительных ионов алюминия на границе раздела металл - ПИ. Наличие
таких ионов, даже связанных в химическое соединение, не может способствовать повышению миграционной стойкости системы металлизации, а скорее, наоборот, снижает ее,
т.к. их можно рассматривать как дополнительные точечные дефекты в металлической
пленке. Выделяющийся водород ввиду особо малого количества вряд ли оказывает заметное влияние на характеристики металлизации. К тому же относительно высокая температура проведения процесса рекристаллизации и нестойкость гидрида алюминия в данных
условиях не позволяют ему оставаться в структуре. Совокупность рассмотренных факторов приводит к снижению энергии активации процесса электромиграции. Одновременно
оказалось, что электропроводность пленок металла, нанесенных на полиимид, несколько
выше по сравнению с пленками, нанесенными на диоксид кремния. Это свидетельствует в
пользу того, что межзеренные границы в них не подвержены окислению, как в случае с
оксидным диэлектриком.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая надежность полученной системы металлизации вследствие невысокой энергии активации процесса электромиграции.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности получаемой системы металлизации за счет повышения ее устойчивости к электромиграции.
4
BY 11167 C1 2008.10.30
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления системы металлизации
кремниевого полупроводникового прибора, включающем формирование на кремниевой
подложке с активными областями полиимидной диэлектрической пленки, формирование в
этой пленке контактных окон к активным элементам подложки, нанесение пленки сплава
алюминия заданной толщины, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения омических контактов, термообработку проводят сначала в
инертной атмосфере с добавлением 2-5 об. % воды в течение 3-10 мин, а затем в сухой
инертной атмосфере в течение 10-20 мин.
Сущность заявляемого технического решения заключается в пассивации межзеренных
границ металлической пленки за счет ее частичного окисления.
Повышение надежности системы металлизации достигается в данном случае повышением энергии активации Еа процесса электромиграции. 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 его структуры. Известно, что повышение
суммарной площади межзеренных границ металлической пленки приводит к снижению
энергии активации электромиграции, поскольку миграционные процессы протекают преимущественно по границам зерен. Пассивация этих границ путем окисления снижает их
электропроводность и автоматически приводит к повышению Еа.
При термообработке полученных структур во влажной атмосфере протекают следующие процессы. С одной стороны, происходит рекристаллизация металлической пленки с
ростом размеров зерен, с другой - окисление алюминия с образованием его оксида. Окисление наиболее легко протекает по границам зерен, и образующийся оксид алюминия создает энергетический барьер для электромиграции. Энергия активации электромиграции
при этом повышается. Требуемая электропроводность пленки в целом при этом обеспечивается протеканием электрического тока по объему зерен, где массоперенос минимален.
Однако одновременно протекает также и частичный гидролиз полиимида с превращением его в полиамидокислоту. Это приводит к снижению диэлектрических характеристик
межуровневой изоляции, поскольку электропроводность ПАК по сравнению с ПИ заметно
выше. Этот факт накладывает ограничения на процесс обработки структур во влажной атмосфере - концентрация воды и время обработки должны быть минимальными. Кроме того, возникает необходимость проведения второй стадии обработки в сухом инертном газе.
В ее ходе ПАК, образовавшаяся при проведении первой стадии, снова превращается в полиимид согласно реакции:
HOOC
COOH
NH
CO
O
NH
CO
n
CO
CO
N
N
CO
O
+H2O
CO
n
Поглощенная при проведении первой стадии термообработки вода удаляется из межуровневого диэлектрика, и его характеристики восстанавливаются, т.е. данный процесс
является обратимым.
5
BY 11167 C1 2008.10.30
В итоге достигается достаточно высокая энергия активации электромиграции и сохраняются диэлектрические свойства межуровневой изоляции.
В качестве окислителя при проведении термообработки может быть использована
только вода. В противном случае, например, при использовании кислорода, в связи с относительно высокой температурой проведения процесса, наблюдается необратимая деструкция ПИ вследствие его окисления. Концентрация воды и время проведения процесса
во влажной атмосфере определяются как скоростью гидролиза ПИ, так и скоростью окисления алюминия. Увеличение концентрации воды более 5 объемных % и времени проведения
процесса более 10 мин приводят, с одной стороны, к недопустимому росту электрического
сопротивления дорожек металлизации, а с другой - к необратимому изменению диэлектрических свойств межуровневой изоляции, что, вероятно, связано с разрывом цепей макромолекул. И, наоборот, уменьшение времени проведения процесса менее 3 мин и снижение
концентрации воды менее 2 объемных % не обеспечивают достаточной пассивации межзеренных границ металлической пленки, из-за чего энергия активации электромиграции
не достигает приемлемого значения.
Временные интервалы проведения второй стадии термообработки определяются кинетикой имидизации вновь образовавшейся полиамидокислоты и десорбцией выделяющейся
имидизационной воды. Экспериментально установлено, что в условиях проведения термообработки для этого требуется не менее 10 мин. Максимальное суммарное время проведения
процесса при этом осталось прежним - до 30 мин. Прежним также остается и температурный интервал проведения процесса, составляющий 450-510 °С.
Таким образом, использование заявляемого способа для формирования системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов с полиимидной изоляцией обеспечивает повышение надежности изготавливаемых структур за счет повышения энергии
активации процесса электромиграции. Это достигается пассивацией межзеренных границ
металлической пленки за счет их частичного окисления. Режимы термообработки структур при формировании омических контактов обеспечивают сохранность высоких диэлектрических характеристик полиимидной пленки, используемой в качестве межуровневого
диэлектрика.
Заявляемый способ был реализован при изготовлении приборов TL431M. Активные
элементы структуры формировали стандартными методами в соответствии с требованиями действующей технической документации. В качестве межуровневой диэлектрической
изоляции использовали пленку полипиромеллитимида. Для ее получения на структуры
наносили раствор полипиромеллитамидной кислоты в диметилформамиде и проводили
термообработку в атмосфере аргона в установке СДО 3/15 при температуре 350 °С в течение 60 мин для превращения ПАК в ПИ. Толщина полученной полиимидной пленки составила 0,9-1,0 мкм. 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.
После зачистки контактных окон на всю поверхность пластины наносили пленку сплава алюминия с добавкой 1 % кремния толщиной 1,0 мкм. Далее стандартными методами
формировали требуемый топологический рисунок токопроводящей системы и проводили
ее термообработку для формирования омических контактов. Первую стадию термообработки проводили в атмосфере аргона с добавкой воды, вторую стадию - в атмосфере сухого
аргона. Содержание воды и температурно-временные параметры термообработки указаны
в таблице. Одновременно с рабочими формировали специальные тестовые структуры для
контроля энергии активации электромиграции в соответствии с [10].
Измерение характеристик системы металлизации проводили на тестовых элементах. В
качестве измеряемых параметров были выбраны напряжение пробоя полиимидной пленки
U и сопротивление тестовых резисторов R, представляющих собой металлизированные
6
BY 11167 C1 2008.10.30
дорожки большой длины. Контроль функционирования кристаллов проводили в соответствии с действующей технической документацией. Контроль энергии активации электромиграции проводили путем испытаний структур в соответствии с [10]. Результаты
контроля приведены в таблице.
Из приведенных данных видно, что снижение концентрации воды в атмосфере в течение первой стадии термообработки, а также времени ее проведения не позволяет достичь
максимальных значений Еа. Увеличение времени проведения первой стадии, а также
повышение концентрации воды приводят к снижению напряжения пробоя изоляции.
Аналогичный эффект получается при недостаточном времени проведения второй стадии
термообработки. Увеличение энергии активации электромиграции сопровождается незначительным увеличением сопротивления токоведущих дорожек. Однако такое повышение R
не отражается на выходе годных приборов. Положительный эффект от использования
заявляемого способа достигается во всем температурном интервале проведения термообработки.
Режимы термообработки
Температура, °С
475
475
475
475
475
475
475
475
475
475
475
475
475
510
510
450
450
Полученные характеристики
Стадия 1
Стадия 2
КонцентВремя
Время
U, В
рация
обработки, обработки,
воды, %
мин
мин
1
5
15
285
2
5
15
275
3
5
15
280
5
5
15
290
10
5
15
235
3
1
15
280
3
3
15
275
3
10
15
280
3
20
15
240
3
5
5
220
3
5
10
280
3
5
20
280
3
5
30
285
3
5
15
275
3
10
15
300
3
5
20
275
5
5
20
280
Прототип
290
Выход
R, Ом Eа, эВ годных,
%
4,8
5,0
4,9
4,9
5,7
4,8
5,0
4,9
5,4
5,1
5,0
5,2
4,9
4,9
5,0
4,9
4,7
0,87
1,07
1,04
1,09
0,88
1,11
1,08
1,08
1,06
1,09
1,07
1,09
1,05
0,85
Примечание
83,1
82,9
85,2
79,4
68,5
80,1
82,8
85,0
67,8
54,2
85,0
78,9
80,1
82,7
81,8
84,7
80,2
81,5
Полученные значения энергии активации электромиграции для заявляемого способа
составляют от 1,04 до 1,11 эВ против 0,85 эВ для прототипа. Это свидетельствует о значительном повышении надежности полученной системы металлизации. Достигнутое повышение надежности не сопровождается снижением выхода годных приборов или ухудшением
диэлектрических характеристик межуровневой изоляции.
Таким образом, заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых
полупроводниковых приборов позволяет решить поставленную задачу.
7
BY 11167 C1 2008.10.30
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. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 2: Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. С. 453.
3. Парфенов О.Д. Технология микросхем: Учебное пособие для вузов по специальности "Конструирование и производство ЭВА". - М.: Высшая школа, 1986. - С. 320.
4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Советское радио, 1980. - С. 424.
5. Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металлполупроводник в интегральной электронике. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 256.
6. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы
СБИС. - Мн.: Высшая школа, 1989. - С. 238.
7. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Мн.: Наука и техника, 1980. - С. 296.
8. Wilson A.M. Polyimide insulators for multilevel interconnections // Thin solid films. 1981. - V. 83. - № 2. - P. 145-163.
9. Сенько С.Ф., Снитовский Ю.П. Новая технология изготовления системы металлизации СБИС с использованием полиимида. - М.: Микроэлектроника, 2002. - Том 31. - № 3. С. 201-210 (прототип).
10. 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.
8
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
135 Кб
Теги
by11167, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа