Способ создания металлизации полупроводниковых приборов и интегральных схем

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ СОЗДАНИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ(57) Способ создания металлизации полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий нанесение проводящего слоя алюминия с примесями других элементов на кремниевую подложку, термообработку в течение 5-25 с путем облучения подложки немонохроматическим некогерентным излучением с ее нагревом до 520-560 С и последующего охлаждения до комнатной температуры, формирование в проводящем слое рисунка межсоединений, отличающийся тем, что облучение осуществляют со стороны подложки, противоположной расположению металлизации, при плотности мощности излучения 0,3410-2 Вт/м 2 с длительностью импульса 1,3-1,6 с с обеспечением скорости нарастания температуры нагрева подложки 310-400 С/с. Изобретение относится к технологии производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС), в частности, к технологическому процессу создания металлизации, и может быть использовано при формировании межсоединений и контактов на полупроводниковом материале. Известен способ создания металлизации полупроводниковых приборов и ИМС, в котором формируется алюминиевая металлизация с внутренним барьерным слоем вольфрама (А 1 1 мкм -0.01 мкм - А 1 0.1 мкм) 1. Наличие барьерного слоя из тугоплавкого металла стабилизирует структуру и в значительной степени снижает эффективность процесса образования бугров. Однако данный способ требует применения сложного специализированного оборудования, что значительно усложняет способ и увеличивает стоимость изделий. Кроме того, данный способ позволяет лишь частично снять проблему образования бугров в системе металлизации. При этом дополнительно возникает проблема создания контактов малых размеров к такой металлизации и в большинстве случаев не позволяет повысить процент выхода годных полупроводниковых приборов и ИМС. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ создания металлизации полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий нанесение проводящего слоя алюминия с примесями других элементов на кремниевую подложку, термообработку путем облучения подложки немонохроматическим некогерентным излучением и нагревом подложки до температуры 520-560 С с последующим охлаждением со временем цикла 5-25 с до комнатной температуры и формирование в проводящем слое рисунка межсоединений 2. В этом способе при термообработке системы металлизации в структуре алюминия происходят существенные изменения формируются цепочки кристаллитов с ориентацией (111). Металлизация с такой структурой является значительно более устойчивой к последующим температурным и электрическим воздействиям. Так, стойкость к электромиграции при температуре 300 С возрастает до 5 раз. Однако данный способ не исключает образование бугров на поверхности металлизации. На операциях фотолитографии температура пластин может достигать 200 С (задубливание фоторезиста, плазмохимическое травление алюминия и фоторезиста). Из-за длительности этих операций, разнообразия контактирующих с поверхностью алюминия реактивов и различным исходным состоянием структуры металлизации после ее осаждения в процессе фотолитографии происходит существенное изменение структуры металлизации и образование бугров высотой до 0.5-1.0 мкм. В основу изобретения положена задача повышения процента выхода годных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем за счет уменьшения высоты бугров на поверхности алюминиевой металлизации благодаря проведению термообработки в предлагаемых режимах перед формированием рисунка межсоединений, т.е. до проведения операций фотолитографии. Сущность изобретения заключается в том, что в способе создания металлизации полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающем нанесение проводящего слоя алюминия с примесями других элементов на кремниевую подложку, термообработку в течение 5-25 с путем облучения подложки немонохроматическим некогерентным излучением с ее нагревом до 520-560 С и последующего охлаждения до комнатной температуры, формирование в проводящем слое рисунка межсоединений, облучение осуществляют со стороны подложки, противоположной расположению металлизации при плотности мощности излучения 0.34 х 10-2 Вт/м 2 с длительностью импульса 1.3-1.6 с с обеспечением скорости нарастания температуры нагрева подложки 310-400 С/с. Проведение термообработки перед формированием рисунка межсоединений, т.е. до проведения операций фотолитографии позволяет изменить структуру алюминиевой металлизации так, чтобы она стала стабильной и не изменялась при проведении последующих операций, например, фотолитографии. Стабилизация структуры металлизации достигается режимом термообработки. При этом в процессе самой термообработки металлизации и последующих операциях фотолитографии образование бугров практически отсутствует, а качество фотолитографии не ухудшается в местах где производится удаление металлизации продукты травления (кремниевая крошка) отсутствуют произвести вжигание металлизации, т.е. сформировать хороший омический контакт алюминия к активным областям в кремниевой подложке. Традиционно формирование рисунка металлизации проводится до термообработки (вжигания) металлизации. Это вызвано тем, что в процессе длительной (10-30 мин) термообработки алюминиевой металлизации при температурах 380-510 С происходит перераспределение легирующих компонентов в алюминии (кремния и других), выделение и вжигание их на поверхности диэлектриков, что приводит к браку по внешнему 2 2823 1 виду из-за невозможности их удаления при фотолитографии. При использовании импульсных термообработок с длительностью цикла не более 25 с и высокой скорости нарастания температуры 310-400 С/с, образование неудалимых остатков металлизации на поверхности диэлектриков не наблюдается. Это обусловлено своеобразной закалкой металлизации она быстро (время менее 2 с) нагревается до высоких температур, а затем охлаждается естественным путм до комнатной температуры. В процессе такой термообработки в плнке алюминия происходит процесс собирательной рекристализации, обеспечивающей равномерный рост зрен, спрямление межзренных границ, а угол между ними в тройных точках приближается к 120, т.е. структура становится более равновесной и стабильной. Характерной чертой морфологии поверхности плнок алюминия после таких термообработок является практически отсутствие бугров и плнки остаются стабильными по структуре при проведении последующих операций фотолитографии высота бугров на плнках алюминия, измеренная на растровом электронном микроскопе после термообработки в предлагаемых режимах, проведения операций плазмохимического травления алюминия и удаление фоторезистора не превышает 0,10-0,15 мкм высота бугров на плнках алюминия сформированных по способу прототипу составляет 0,35-0,45 мкм,что в 3,5 раза больше, чем в предлагаемом способе. В процессе термообработки металлизации облучению подвергают нерабочую сторону подложки (противоположную металлизации), т.е. однородный кремний. Поэтому излучение поглощается всей поверхностью подложки и происходит равномерный прогрев всего объма подложки, включая границы раздела алюминия с кремнием и диэлектриками. В случае облучения подложки со стороны металлизации наблюдается большая неоднородность процесса нагрева пластины из-за разброса коэффициента отражения по ее площади, обусловленного влиянием топологического рисунка низлежащих слоев. Термообработку осуществляют при плотности мощности излучения 0.34 х 10-2 Вт/м 2, которая обеспечивает скорость нагрева кремниевой подложки в диапазоне 310-400 С/с в зависимости от особенностей подложки состояния поверхности (шероховатость), концентрация легирующих примесей в поверхностном слое подложки, разброс толщины подложек. Длительность импульса 1.3-1.6 с обеспечивает нагревание подложки до температуры 520-560 С. При длительности импульса менее 1.3 с температура подложки не достигает 520 С. При длительности импульса более 1.6 с подложка нагревается до температуры превышающую 560 С. При скорости нарастания температуры более 400 С/с из-за разницы в 10 раз коэффициентов теплового расширения кремния и алюминия в металлизации возникают сильные механические напряжения, приводящие к снижению качества проведения операций фотолитографии (растравы на рельефе, неровность края дорожек). При скорости нарастания температуры менее 310 С/с наблюдаемый эффект стабилизации структуры плнок алюминиевой металлизации недостаточен и при проведении последующих операций фотолитографии наблюдается рост бугров более 0.2 мкм. Изложенная сущность поясняется фотографией (фиг.), где приведена поверхность алюминиевой металлизации, полученной по предлагаемому способу. Фотография изготовлена с помощью растрового электронного микроскопа 806 ф.(наблюдение под углом 45 к поверхности образца и увеличении 25 тыс. крат). Пример конкретного выполнения заявленный способ создания металлизации полупроводниковых приборов и интегральных схем, включающий нанесение проводящего слоя алюминия с примесями других элементов на кремниевую подложку, термообработку в течение 5-25 с путем облучения подложки немонохроматическим некогерентным излучением со стороны подложки, противоположной расположению металлизации при плотности мощности излучения 0.34 х 10-2 Вт/м 2 с длительностью импульса 1.3-1.6 с с обеспечением скорости нарастания температуры нагрева подложки 310-400 С/с с ее нагревом до 520-560 С, последующего охлаждения до комнатной температуры и формирование в проводящем слое рисунка межсоединений проиллюстрируем на примере изготовления серийно-выпускаемых ИМС КР 588 ВА-4 с двухуровневой металлизацией. Первый уровень металлизации (А 1 с примесью 1, толщина 0,65 мкм) формируется на кремниевой подложке КЭФ-4,5 (ЕТ 0.035.206 ТУ) со сформированными активными областями по КМОП-технологии. При этом нечтные пластины формировались по предлагаемому способу (после нанесения металлизации производилась термообработка облучением обратной стороны подложек излучением галогенных ламп КГ-1000 при плотности мощности 0.3410-2 Вт/м 2, длительности импульса 1,3-1.6 с и скорости нарастания температуры 310-400 С, а затем проводились операции фотолитографии (формирование рисунка межсоединений). На чтных пластинах металлизация 1-го уровня формировалась по способу-прототипу. Затем осаждался межслойный диэлектрик (ФСС толщиной 0,7 мкм) и формировался магнетронным распылением 2-ой уровень металлизации толщиной 1,1 мкм (А 1 с примесью 1 и 0.5). При этом на нечтных и четных пластинах 2-ой уровень металлизации формировался соответственно по предлагаемому способу и способу-прототипу. Сравнительные параметры приведены в таблице, где указаны номер процесса по порядкускорость нарастания температуры подложки при термообработке (темп. ) 3 2823 1 длительность импульсапроцент брака ИМС по коротким замыканиям (КЗ) между шинами первого уровня металлизации (КЗ 1-1) процент брака ИМС по КЗ между шинами второго уровня металлизации (КЗ А 2-А 2) процент брака ИМС по КЗ между шинами первого и второго уровня металлизации (КЗ А 1-А 2) процент выхода годных ИМС ( ИМС). Представленные результаты получены по измерениям тестовых структур, расположенных на дорожках скрайбирования вокруг кристаллов ИМС, выполненных по проектным нормам ИМС и прошедших такие же технологические операции, что и товарные кристаллы. Использовались следующие тестовые структуры для контроля короткого замыкания между шинами 1-1 (две протяженные гребенки в слое 1, вставленные друг в друга с зазором 2.5 мкм) для контроля короткого замыкания между шинами А 2 -А 2 (аналогична предыдущей тестовой структуре) для контроля короткого замыкания между шинами 1-А 2 (две протяженные дорожки 1 и А 2, разделенные межслойным диэлектриком и пересекающие друг-друга). Каждая тестовая структура имеет две контактные площадки, соответственно, для контакта к 1-ой и 2-ой шине. Разбраковка (определение процента брака) тестовых структур производилась на автоматизированном тестере АИК ТЕСТ-2. При этом между контактными площадками тестовой структуры прилагалось напряжение 1 В и контролировалась величина тока утечки при величине тока более 0.1 мкА тестовая структура считалась бракованной.п/п 1. 2. 3. 4. Данные, приведенные в таблице, показывают, что ИМС, изготовленные по предлагаемому способу, имеют более высокий процент выхода годных за счт уменьшения процента брака по закороткам 1-2, 11, 2-2. Измерение высоты бугров металлизации на растровом электронном микроскопе 806 ф.(наблюдение под углом 45 к поверхности образца и увеличении 25 тыс. крат) показывает, что на пластинах,изготовленных по предлагаемому способу, она составляет 0,1-0,15 мкм (фиг. 1), по способу-прототипу до 0,4 мкм. Таким образом, заявленный способ создания металлизации полупроводниковых проборов и ИС в сравнении со способом прототипа позволяет увеличить процент выхода годных в среднем на 3 за счт уменьшения высоты бугров в 3 раза, т.е. решить поставленную задачу. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4