Диссертация (Технологические основы и методики послойного травления кристаллов интегральных схем с системой межсоединений на основе меди), страница 3

1.2.1). Однако,неравномерностьиплохаяселективностьданногорастворакдиффузионно-барьерному слою (ДБС) может привести к нежелательномуудалению нижележащего слоя проводников (рис. 1.2.5).повреждение слоя нижележащегопроводниковРис. 1.2.5. Изображение вертикального сечения кристалла ИС ссистемой межсоединений на основе меди после удаления проводниковметодом жидкостного травления [1].Таким образом, использование метода ЖТ раствором HNO3/H2O дляудаления слоя медных проводников затруднительно. Использование дляудаления слоя проводников метода микрошлифования, также может бытьограничено в случае различной их плотности на топологии. В областях сбольшим скоплением проводников (например, области памяти), удаление16будет идти с меньшей скоростью, что приведет к неравномерномуудалению и, соответственно, повреждению нижележащих слоев.Еще одним характерным примером характеристик топологическихслоев,накладывающихограничениянаприменимостьметодовпрепарирования, является их структура.

Если топологические слои неплоские,т.е.кристаллвыполненпонепланарнойтехнологии,использование метода микрошлифования затруднительно, т.к. можетпривести у одновременному удалению нескольких топологических слоев(рис. 1.2.2б).Такимобразом,наопределениесовокупностиметодовпрепарирования конкретного кристалла ИС, несмотря на потенциальнуювозможность использования всех вышеперечисленных, серьезное влияниеоказывают характеристики топологических слоев.1.3.ПодОсобенности системы межсоединений на основе медисистемоймежсоединенийИСпонимаетсясовокупностьтехнологических слоев проводящих электрический ток между элементамисхемы (МОП транзисторами и др.).

Можно выделить четыре основныхэлемента системы межсоединений [12]:- контактная система металлизации;- проводниковые межсоединения;- слои межуровневого диэлектрика;- межслойные контакты;- слой пассивации;- контактные площадки.Контактнаяомическиесистемаконтактыкметаллизациикремнию.-этовыпрямляющиеПроводниковыеимежсоединенияпредставляют собой проводники многослойной системы металлизации.17Межуровневый диэлектрик - материал, электрически разделяющийпроводниковые соединения различных уровней. Межслойные контакты этолокальныеконтактымеждупроводникамисоседнихслоев,выполненные в слоях межслойного диэлектрика. Слой пассивациипредставляет собой диэлектрический слой, защищающий проводникиверхнего уровня межсоединений. Контактные площадки представляютсобойрасположенныенакристаллеИСучасткиверхнегослояпроводниковых межсоединений, обеспечивающие электрическую связьпроводников кристалла с внешними выводами ИС [12].В истории развития систем межсоединений кремниевых ИС можновыделить три основных этапа.

На первом этапе металлизация ИС былаоднослойной, и ее основу составлял алюминий. На следующем этапеметаллизация состояла из нескольких подслоев и стала многослойной.Появилось деление ее слоев по функциональному назначению. Алюминийпо-прежнему оставался основой коммутирующей разводки. На третьемэтапе произошла замена основного материала межсоединений, алюминия,на медь, что повлекло за собой усложнение структуры металлизации исущественные изменения в технологическом процессе формирования.Многослойная система металлизации с межсоединениями на основеалюминия применялась основными производителями кремниевых ИС до0,13 мкм технологии (ф.

Intel), начиная с которой в качествемежсоединений стала использоваться медь. Главные преимущества медикак материала межсоединений перед алюминием - более низкое удельноесопротивление (1,68 мкОм×см), что по оценкам дает 40% выигрыш ввеличине RC-задержки [13], более высокая термическая стабильность исущественно меньшая склонность к электромиграции.Вместе с тем, не смотря на указанные преимущества, медь имеет инежелательныесвойства.Медьявляетсяопаснойпримесьюдля18кремниевойтехнологии,т.к.являетсявкремниибыстродиффундирующей примесью и образует глубокие энергетические уровни взапрещенной зоне кремния [14].

Эти уровни являются ловушками захвата,которые отрицательно влияют на быстродействие ИС. Также, медьдиффундирует и в других материалах, напрмер SiО 2. Таким образом, прииспользовании меди принимаются серьезные меры предосторожности кпопаданию этой примеси в полупроводник.Первый слой многослойной системы межсоединений с меднымипроводниками полностью соответствует первому уровню многослойнойалюминиевой металлизации. Несмотря на то, что в отличие от алюминиядля меди существуют различные методы заполнения полостей с высокимаспектным соотношением (для формирования межслойных контактов иконтактов к кремнию), на первом, прилежащем к кремнию, уровнеразводки контактные колодцы заполняются вольфрамом.

Это усложнениетехнологии является одной из мер по препятствию попадания меди вкремний.Основное отличие медной металлизации от алюминиевой состоит вспособе формирования самих проводников. Если в алюминиевойметаллизации проводники формируются путем прямой фотолитографии,то в медной металлизации вначале осаждается слой внутриуровневогодиэлектрика. В этом слое с помощью фотолитографии и процесса сухоготравления создаются углубления, рисунок которых соответствует будущиммеднымпроводникам.Далеепоследовательнонаносятсятонкийдиффузионно-барьерный слой (ДБС) и слой меди одним из методов,позволяющих заполнить углубления в диэлектрике без образования пустот(рис.

1.3.1б). После этого проводится операция планаризации, в процессекоторой медь и ДБС удаляют с поверхности диэлектрика и остаютсятолько внутри углублений (рис. 1.3.1в), в результате чего возникают19медныепроводники,совсехсторонкромеверхаокруженныеизолирующим диэлектриком. Данный метод формирования медныхпроводников называют "дамасская технология" (англ. "damascene") поаналогии с узорами, создаваемыми насечкой золотом на изделиях издамасской стали.Важно отметить, что в отличие от алюминиевого, медный проводниксо всех сторон должен быть окружен ДБС.

Это требуется дляпредотвращения диффузии меди в диэлектрик и далее в кремний, т.к. приналичии вышележащих слоев, диффузия меди становится аномальной [12].Как показано на рис. 1.3.1б, технологически легко окружить медныйпроводник путем конформного осаждения проводящего ДБС на дно ибоковые стенки углублений и контактных колодцев. Однако и верх медныхмежсоединений также должен быть защищен ДБС, но это затруднительносделать традиционными проводящими ДБС, не закоротив межсоединениямежду собой. Наиболее простым решением данной проблемы проблемыявляется нанесение тонкого диэлектрического ДБС по всей поверхности.Главным для такого слоя являются его диффузионно-барьерные свойствапо отношению к меди. Диэлектрическая проницаемость этого материаламожет быть достаточно высокой, по сравнению с межслойным иливнутрислойным диэлектриком, т.к.

толщина данного слоя мала и не вноситзаметного вклада в паразитную емкость и, как следствие, в RC-задержкусигнала.20Рис.1.3.1.Схемаформированиямногослойнойсистемымежсоединений на основе меди [12].Следующимявляетсяэтапсозданиявторогослоясистемымежсоединений. На данном этапе наносится слой межуровневогодиэлектрика, и посредством фотолитографии и сухого травления в немвскрываютсямежслойныеконтактныеокна-колодцы.Далеепоследовательно осаждаются конформный ДБС и медный проводящий21слой, заполняющий контактные окна-колодцы (рис.

1.3.1г). Затемпроизводится операция планаризации, в результате которой медный слой иДБС удаляются с поверхности диэлектрика, и остаются медные пробки,окруженныеДБС(рис.1.3.1д).Послеэтогоосаждаетсяслойвнутрислойного диэлектрика, в котором вытравливаются углубления, и наповерхность конформно наносится ДБС. Углубления, покрытые ДБС,электрохимически заполняются медью (рис.

1.3.1д), после чего проводитсяпланаризация рельефа, и медные межсоединения второго слоя сверхузащищаются диэлектрическим ДБС (рис. 1.3.1е).Верхние слои системы медных межсоединений имеют такую жеструктуру, поэтому описанный выше комплекс процессов формированиявторого слоя повторяется в зависимости от количества слоев системымежсоединений.

Характерной особенностью формирования второго ипоследующих слоев является то, что медью заполняются и углубления, имежслойные контактные колодцы. Данная технология получила название"двойная дамасская" (англ. "dual damascene").Рис.1.3.2. Изображение сечения кристалла ПЛИС Virtex 4 ф.

Xilinx.22На рисунке 1.3.2 приведено изображение вертикального сечениякристалла ПЛИС Virtex 4 ф. Xilinx с системой межсоединений на основемеди.1.4.Методы селективного травления медиОсновные подходы к селективному травлению меди можно разделитьна методы жидкостного и сухого (в т.ч. ВПТ) травления.1.4.1. Методы жидкостного травленияВ литературе описано немало способов жидкостного травления меди.Основным условием такого травления является образование растворимогов воде продукта реакции (любая растворимая соль или растворимыйкомплекс).

Поскольку в электрохимическом ряду напряжений металловмедь находится за водородом, она не растворяется в большинственеорганических и органических кислот. Это связано с тем, что протонводорода не может окислить медь до степени окисления +1 или +2. Длятого, чтобы перевести медь в раствор, необходим сильный окислитель,например: кислород, перекись водорода, азотная или концентрированная(>70%) серная кислоты.Ниже приведены реакции меди с различными окислителями:1) с концентрированной холодной серной кислотой:Cu  H 2 SO4  CuO  SO2   H 2 O2) с концентрированной горячей серной кислотой:Cu  2 H 2 SO4  CuSO4  SO2  2 H 2O3) с разбавленной серной кислотой при нагревании в присутствиикислорода или перекиси водорода:t2Cu  2 H 2 SO4  O2 2CuSO4  2 H 2O234) с концентрированной (>50%) азотной кислотой:Cu  4 HNO3  Cu ( NO3 ) 2  2 NO2  2 H 2O5) с разбавленной азотной кислотой:3Cu  8HNO3  3Cu ( NO3 ) 2  2 NO  4 H 2O6) с царской водкой (HNO3(к):HCl(к) 1:3):3Cu  2 HNO3  6 HCl  3CuCl 2  2 NO  4 H 2O7) с хлорным железом (концентрация 1.26 г-моль/л):Cu  2 FeCl3  CuCl 2  2 FeCl28) с разбавленной хлороводородной кислотой в присутствиикислорода или перекиси водорода (37% H2O2:38%HCl 1:2):Cu  H 2O2  2 HCl  CuCl2  2 H 2O9) с аммиаком в присутствии перекиси водорода (25% водный р-раммиака:37% водный р-р перекиси 1:1):Cu  4 NH 3 * H 2O  H 2O2  [Cu ( NH 3 ) 4 ](OH ) 2  4 H 2OИз приведенных выше методов травления меди использование сернойкислоты менее предпочтительно, т.к.