Диссертация (Технологические основы и методики послойного травления кристаллов интегральных схем с системой межсоединений на основе меди)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский государственный университетинформационных технологий, радиотехники и электроники» (МИРЭА)На правах рукописиМИЛОВАНОВ Роман АлександровичТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕТОДИКИ ПОСЛОЙНОГОТРАВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ С СИСТЕМОЙМЕЖСОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ МЕДИСпециальность05.27.06Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техникиДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: д. ф-м.

н. Лукичев В.Ф.МОСКВА - 2015 год2Оглавление:Предисловие...................................................................................................4Глава 1. РОЛЬ ПОСЛОЙНОГО ПРЕПАРИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВВ ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА ОТКАЗОВ СОВРЕМЕННЫХ ИС.МЕТОДЫ ПОСЛОЙНОГО ПРЕПАРИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ ИС.ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕМЕДИ (обзор литературы)..............................................................................61.1.

Роль послойного препарирования кристаллов в технологии анализаотказов современных ИС....................................................................................61.2. Методы послойного препарирования кристаллов ИС.............................91.2.1. Требования к методам послойного препарирования.....................91.2.2. Влияние характеристик топологических слоев кристалла наопределение метода его препарирования...............................................141.3. Особенности системы межсоединений на основе меди........................161.4. Методы селективного травления меди....................................................221.4.1.

Методы жидкостного травления....................................................221.4.2. Методы сухого травления..............................................................271.5. Выводы к главе 1.......................................................................................60Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕСЕЛЕКТИВНОМУУДАЛЕНИЮИССЛЕДОВАНИЯМЕДНЫХПОПРОВОДНИКОВСИСТЕМЫ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ИС МЕТОДОМ ЖИДКОСТНОГОТРАВЛЕНИЯ....................................................................................................642.1.

Оборудование............................................................................................642.2. Образец.......................................................................................................732.2.1. ПЛИС ф. XILINX Virtex-4..............................................................732.2.2. ПЛИС ф. XILINX Virtex-6..............................................................822.3. Методы на основе использования геля-носителя..................................862.4.

Традиционные методы жидкостного травления..................................10632.5 Выводы к главе 2.....................................................................................110Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕСЕЛЕКТИВНОМУСИСТЕМЫУДАЛЕНИЮМЕЖСОЕДИНЕНИЙИССЛЕДОВАНИЯМЕДНЫХИСПОПРОВОДНИКОВМЕТОДОМСУХОГОТРАВЛЕНИЯ..................................................................................................1123.1. Высокотемпературные методы..............................................................1123.2. Низкотемпературные методы.................................................................1243.2.1. Исследование возможности понижения температуры сухоготравлениямедныхпроводниковИСзасчетиспользованиямногокомпонентных газовых смесей....................................................1243.2.2.

Исследование возможности понижения температуры сухоготравлениямедныхпроводниковИСзасчетиспользованияциклических процессов..........................................................................1343.2.3. Исследование возможности понижения температуры сухоготравления медных проводников ИС за счет использования внешнегоУФ излучения..........................................................................................1423.3. Выводы к главе 3.....................................................................................155Глава 4. СИНТЕЗ МЕТОДА ПОСЛОЙНОГО ПРЕПАРИРОВАНИЯКРИСТАЛЛОВВТЕХНОЛОГИИАНАЛИЗАОТКАЗОВСОВРЕМЕННЫХ ИС С СИСТЕМОЙ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ НАОСНОВЕ МЕДИ............................................................................................1584.1.

Синтез метода послойного препарирования кристалла ИС с системоймежсоединений на основе меди.....................................................................1584.2. Экспериментальная проверка метода на примере кристалла ПЛИСVirtex-4 ф. Xilinx..............................................................................................1634.3. Выводы к главе 4.....................................................................................180ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ...........................182Список литературы.......................................................................................1854ПредисловиеСовременные интегральные схемы (ИС) представляют собой сложныеструктуры, производство которых состоит из множества разнообразныхтехнологическихпроцессов.Наиболееемким,сточкизренияпроизводства, является процесс изготовления кристаллов ИС.

Учитываяобъемы производства современных заводов-изготовителей, нарушениеработоспособности кристаллов (отказ) приводит к серьезным финансовымпотерям, что делает процесс их анализа отказов (англ. failure analysis - FA)одним из приоритетных направлений деятельности в производстве.

Однимиз этапов анализа отказов катастрофического типа является анализсистемы межсоединений элементов схемы, которая представляет из себямногослойную структуру из проводников разделенных (внутри одногослоя и между слоями) диэлектриком.Нарушения в системе межсоединений (возникновение замыканий илиобрывов в проводниках) приводит к искажению электрической схемы ИС,что, как правило, влечет за собой нарушение ее работоспособности.Выявлениеобластейпоявленияподобныхнарушенийявляетсянеобходимым условием дальнейшего анализа их возникновения ипринятия мер по устранению причин вызвавших неисправность.Учитывая,структуру,чтооднимпрепарированиесистемаизсмежсоединенийметодовеепоследующиманализаимеетмногослойнуюявляетсяисследованиемпослойноеповерхноститопологических слоев с использованием различного типа микроскопов(оптический, растровый электронный, сканирующий зондовый и др.).Методыпослойногопрепарированиякристалловссистемоймежсоединений на основе алюминия хорошо изучены и описаны вомножестве источников (например: [4], [6], [9], [10]).

В настоящее времядля послойного препарирования кристаллов ИС используют различные5методики основанные на комбинации методов вакуумно-плазменноготравления (ВПТ), жидкостного травления (ЖТ), ионно-лучевого травления(ИЛТ) и микрошлифования.Вместе с тем, в последнее время, при производстве современных ИС,неуклонно растет доля кристаллов с системой межсоединений на основемеди.

Замена алюминия, как основного материала проводящих слоевкристаллов ИС, на медь в основном вызвано необходимостью уменьшениявремени задержки распространения сигналов (RC-задержка), которое резковозрастает с уменьшением топологических норм изготовления кристаллови негативно влияет на значение тактовой частоты ИС. Мировой лидерполупроводниковой промышленности ф. Intel использует медь в системемежсоединений кристаллов начиная с технологии 130 нм.Учитывая широкое распространение кристаллов ИС с системоймежсоединений на основе меди, актуальность приобретает необходимостьразработки подходов к их анализу отказов, в том числе в областипослойного препарирования кристаллов.

Вместе с тем, проведенныйанализ доступных источников показал, что существующие работы носятфрагментарный характер, в то время как фундаментальные исследованияна тему послойного препарирования таких кристаллов отсутствуют.Свои особенности, помимо непосредственно материалов, вносит иконструкция проводников на основе меди, технология производствакоторых(англ.dualdamascene)предусматриваетодновременноеформирование проводников конкретного слоя и межслойных проводников(англ. via), что затрудняет их раздельное удаление.6Глава 1. РОЛЬ ПОСЛОЙНОГО ПРЕПАРИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВВ ТЕХНОЛОГИИ АНАЛИЗА ОТКАЗОВ СОВРЕМЕННЫХ ИС.МЕТОДЫ ПОСЛОЙНОГО ПРЕПАРИРОВАНИЯ КРИСТАЛЛОВИС.

ОСОБЕННОСТИ СИСТЕМЫ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ НАОСНОВЕ МЕДИ (обзор литературы)1.1.Роль послойного препарирования кристаллов в технологиианализа отказов современных ИССовременные интегральные схемы (ИС) представляют собой сложныеструктуры,производствокоторыхсостоитизмножества(болеепятидесяти) разнообразных технологических процессов [1]. Учитывая, что50% отказов современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) вызванынарушением работоспособности ИС [2], обеспечение их надежностиявляется одной из приоритетных задач при создании перспективной РЭА.Распределение типов нарушения работоспособности (дефектов) ИСприведено на рисунке 1.1.1.Рис.

1.1.1. Распределение типов нарушения работоспособности(дефектов) ИС [2].7Систематизация типов отказов позволяет выделить две характерныегруппы [2]:- связанные с дефектами при изготовлении кристалла (дефектыкристалла, эпитаксиального слоя, литографии, окисления, металлизации,контактов, пассивации и др.);- обусловленные сборочными операциями ИС (крепления кристаллана основание, формирование коммутационной схемы кристалл - внешнийвывод, герметизация в корпусе и др.).ЛокализацияобластинарушенияработоспособностиИСиопределение ее характера являются необходимым условием выясненияпричин возникновения неисправности и определения мероприятий попредотвращению их появления в будущем.ОтказыобусловленныесборочнымиоперациямиИСобычнолокализуются методами основанными на применении рентгеновскогоизлучения [3], сканирующей акустической микроскопии [4], магнитноймикроскопии [5] и др.Для поиска неисправностей, связанных с дефектами изготовлениякристалла ИС, обычно требуется использование комплексных подходов,которые, в зависимости от конструктивных особенностей ИС, могутвключать следующие основные этапы:- осуществление доступа к кристаллу (кристаллам);- электрическое тестирование;- исследование топологических слоев кристалла и др.Выполнение(декапсуляция)дальнейшихэтапа[6]осуществленияявляетсяисследованийдоступанеобходимымпоанализукусловиемотказов.кристаллудлялюбыхВыборметодадекапсуляции (англ.