Диссертация (Технологические основы и методики послойного травления кристаллов интегральных схем с системой межсоединений на основе меди), страница 9

FEI (рис. 2.1.4, табл. 2.1.1) использовалсядля исследования структуры топологических слоев образца и оценкирезультатовэкспериментальныхизображенийповерхностииисследованийформирование(получениевертикальныхРИМсеченийобразцов после выполнения травления).РЭИМ Quanta 200 3D DualBeam представляет собой комбинациюрастрового электронного микроскопа (РЭМ) и растрового ионногомикроскопа (РИМ). Переключение между пучками (электронным иионным) позволяет использовать с одной стороны быструю и точнуюнавигацию, а с другой - возможность прецизионного удаления слоёвматериала.Кроме того, Quanta 200 3D, в доступной комплектации оборудованамодулями газовой инжекции платины, диэлектрика и йода. Совместноеприменение данных модулей с ионным пучком позволяет локально69наноситьслойплатины,осаждатьдиэлектриквподготовленныеуглубления и селективно удалять металл в выбранной области.Рис. 2.1.4.

Внешний вид растрового электронно-ионного микроскопаф. FEI Quanta 200 3d.Таблица 2.1.1.Основные характеристики РЭИМ Quanta 200 3DЭлектронная колонна:- пространственное разрешение- ускоряющее напряжение- ток пучкаИонная колонна:- пространственное разрешение- ускоряющее напряжение- ток пучкаПредметный столДиапазон перемещения образцапо оси X:по оси Y:по оси Z:наклон:вращение:Модули газовой инжекции:3,5 нм200 В - 30 кВ6,3 пА - 72 нА10 нм5 кВ - 30 кВ1 пА - 20 нАМоторизованный (5-ти осевой)50 мм50 мм25 мм-10 - + 80 град.360 град.платинайоддиэлектрик (кремнийорганическоесоединение)70Система жидкостного травления Omnietch2.В настоящей работе система ЖТ Omnietch2 [71] ф.

Nissene (рис. 1.4.1)использовалась для исследования методов жидкостного травления наоснове использования геля - носителя.Принцип работы данной системы заключается в равномернойциркуляциитравящейсмесичерезобразец,принепрерывномперемешивании этой смеси, т.е. по сути частично реализуется процессхимической полировки поверхности. За счет постоянной циркуляциитравителя ускоряется удаление продуктов реакции с поверхности образцаи снижается градиент концентрации травителя по поверхности кристалла ив геле - носителе, что делает процесс более контролируемым по скорости иравномерным по площади воздействия.Растровый электронный микроскоп NovaNanoSem230.В настоящей работе растровый электронный микроскоп (РЭМ)NovaNanoSem230 [70] ф.

FEI (рис. 2.1.5, табл. 2.1.2) использовался дляоценки результатов экспериментальных исследований (получение РЭМизображений поверхности и вертикальных сечений образцов послевыполнения травления, а также, в комбинации с системой локальногорентгено-спектральногоанализаQUANTAX(рис.2.1.6),длявещественного анализа полученных сечений).РЭМ NovaNanoSem230 позволяет получать изображения исследуемыхобъектов в цифровом формате с ультра высоким разрешением приувеличении до 500000x.Комплектация РЭМ позволяет исследовать образцы в двух основныхрежимах:- режим высокого вакуума High Vacuum (HiVac) - обычный рабочийрежим большинства современных РЭМ;71Рис.

2.1.5. Внешний вид растрового электронного микроскопа ф. FEINovaNanoSem230.Таблица 2.1.2.Основные характеристики РЭМ Nova NanoSEM 230Источник электронов:NSFEG пушка систочником ШоткиПространственное разрешение:- HiVac режим:- LoVac режим:Детекторы:Ток пучка:Ускоряющее напряжение:Предметный столДиапазон перемещения образцапо оси X:по оси Y:по оси Z:наклон:вращение:высокостабильным1.0 nm @ 15 kV1.6 nm @ 1 kV1.5 nm @ 10 kV- SE (EHT - внешний)- SE (TLD внутрилинзовый)- BSE (TLD внутрилинзовый)- EDX (внешний)- SE (LVD для высокого вакуума)0,6 - 100 нА50 В - 30 кВМоторизованный (4-х осевой)50 мм50 мм25 мм-15 - + 75 град (ручное).360 град.72- режим низкого вакуума Low Vacuum (LoVac) - позволяет проводитьисследование газящих или заряжающихся образцов без предварительнойпробоподготовки (например: напыление тонкого проводящего слоя длянейтрализации зарядки образца).

В этом режиме в электронной колоннесохраняется высокий вакуум, а в рабочей камере выдерживается давлениев диапазоне 0.075 - 1,5 Торр (10 - 200 Па). Для создания избыточногодавления используется водяной пар или вспомогательный газ.Совместное использование РЭМ Nova NanoSEM 230 и системылокального рентгено-спектрального анализа QUANTAX (рис.

2.1.6)позволяет осуществлять элементный анализ исследуемых образцов.Рис.2.1.6. Внешний вид системы локального рентгено-спектральногоанализа QUANTAX [72].ВописываемыхиспользованадляисследованияхэлементногосистемаанализасеченийQUANTAXбылаобразцовпослевыполнения процессов травления с целью выявления состава продуктовреакции и определения толщины удаленного медного слоя.732.2.ОбразецЭкспериментальные исследования в области травления медныхпроводников системы межсоединений ИС проводились на реальныхобразцах современных изделий микроэлектроники - кристаллах ПЛИСф. XILINX Virtex-4 и Virtex-6.2.2.1. ПЛИС ф. XILINX Virtex-4Подготовка образца кристалла к исследованиям включала следующиеэтапы:- обеспечение доступа к кристаллу (извлечение кристалла из корпуса);- обеспечение доступа к медным проводникам (удаление верхнихтопологических слоев - пассивирующие слои, слой алюминиевыхпроводников, межслойный диэлектрик).Дляобеспечениядоступаккристаллу,послеудаленияметаллической крышки корпуса при помощи скальпеля (рис.

2.2.1а, б),многослойная печатная плата (МПП) с кристаллом помещалась вкислотный декапсулятор, где растворялся клей между печатной платой икристаллом (рис. 2.2.1в). Далее образец нагревался на плитке дотемпературы плавления припоя (BGA-соединения кристалла с МПП),после чего кристалл был отделен от платы (рис. 2.2.1г). Остатки припоя снагретого образца были убраны ватным тампоном (рис. 2.2.2).Для исследования конструктивных особенностей топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4, при помощи РЭИМ Quanta 200 3d было полученовертикальное сечение топологии кристалла в области контакта кпереходной МПП (рис.

2.2.3а). Предварительный анализ изображенийполученного сечения (рис. 2.2.3б) показал, что топология кристалласодержит 11 слоев металлических проводников. Причем верхний слойпроводников выполнен из материала отличающегося от материала74проводников нижних 10-ти слоев (заметно по контрасту каналирования).Переходные(межслойные)контактывыполненынаодномтехнологическом этапе с вышележащими проводниками, за исключениемнижнего слоя переходных контактов.а)б)в)г)Рис. 2.2.1. ПЛИС Virtex-4 ф. Xilinx (а - внешний вид ИС; б - ИС сотделенной металлической крышкой; в - ИС после удаления клея междуплатой и кристаллом; г - плата и кристалл после их разделения).Для исследования контакта между верхним слоем проводников (М11)инижележащимслоемпроводников(М10)быловыполненодополнительное вертикальное сечение (рис.

2.2.4а). Исследование данногосечения методом рентгеноспектрального анализа (рис. 2.2.4б, в, г, д)показало, что верхний слой проводников выполнен из алюминия (рис.2.2.4б) с подслоем нитрида титана (рис. 2.2.4в), а нижележащиепроводники выполнены из меди (рис. 2.2.4г).75а)б)Рис. 2.2.2. Фрагменты топологии кристалла ИС ф. Xilinx Virtex-4после удаления остатков припоя (а - наклон образца 0°, б - наклон образца52°).а)б)Рис. 2.2.3. Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в области контакта к переходной печатной плате(а - увеличение ×4955, б - увеличение ×21148).Длядетальногоособенностейисследованиякристаллаиконструктивно-технологическихулучшенияразрешенияизображенийраспределения элементного состава, было выполнено вертикальное76сечение по схеме приведенной на рисунке 2.2.5.

На рисунках 2.2.6 - 2.2.8приведены изображения топологии кристалла ПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 впроцессе реализации сечения, схема которого приведена на рисунке 2.2.5.а)б)в)г)д)Рис. 2.2.4. Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в области контакта верхнего слоя проводников книжележащему (а - изображение сечения, б - распределение алюминия;в - распределениемеди;г - распределениетитана;д - распределениекремния).Рис.

2.2.5. Схема сечения топологии кристалла ПЛИС ф. Xilinx Virtex4длядетальногоособенностейисследованиякристаллаиконструктивно-технологическихулучшенияразрешенияизображенийраспределения элементного состава (а и б - ортогональные сечения).77а)б)в)г)е)ж)Рис. 2.2.6. Изображения топологии кристалла при реализации сеченияпо схеме рис. 2.2.5 (а-локальное напыление Pt в области сечения, будаление топологии за сечением, в, г-заполнение полученной ямыплатиной, д, е-повледовательное удаление топологии для определениятолщины сечения (д) и исследования сечения (е)).Рис.

2.2.7. Изображение сечения топологии кристалла ПЛИС ф. XilinxVirtex-4 после подготовки сечения.78Рис. 2.2.8. Изображение сечения топологии кристалла ПЛИС ф. XilinxVirtex-4 после дополнительного уменьшения толщины сечения "на клин".Детальные исследования вертикальных сечений при различныхпараметрах электронного зонда (рис.

2.2.9 - 2.2.11), показали, что снизу исбоку проводников находится тонкий слой тантала (проводящий ДБС), асверху слой нитрида кремния (диэлектрический ДБС).а)б)в)г)д)е)Рис. 2.2.9. Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС Virtex-4 в области 10 - 6 слоев проводников (а - изображениесечения,б - распределениемеди;в - распределениекислорода;г - распределение тантала; д - распределение платины; е - распределениекремния).79а)б)в)г)д)е)Рис. 2.2.10. Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в области 10, 9 и 8 слоев проводников(а - изображениетантала;сечения,б - распределениег - распределениекремния;меди;в - распределениед - распределениеазота;е - распределение кислорода).а)б)в)Рис. 2.2.11.

Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в области 6 - 1 слоев проводников(а - изображениевольфрама).сечения,б - распределениемеди;в - распределение80Сравнивая полученные результаты с теоретическими исследованиямиконструктивно-технологическихособенностейобразцовизделиймикроэлектроники с медносодержащими слоями (рис. 2.2.12), можносделать вывод, что в качестве проводящего (нижнего) диффузионнобарьерного слоя (ДБС) в ПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 используется тантал, а вкачестве диэлектрического (верхнего) ДБС используется нитрид кремния.Нижниемежслойныеконтакты(контактымеждупервымслоемметаллических проводников М1 и активными элементами схемы)выполнены из вольфрама (рис.

2.2.11) и имеют размеры 90 нм (рис. 2.2.13).Рис. 2.2.12. Конструктивно-технологические особенности образцовизделий микроэлектроники с медносодержащими слоями [12].Рис. 2.2.13. Изображение вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в области 5 - 1 слоев проводников.81Такимобразомможно предположить, что ИСвыполнена стопологическими нормами 90 нм.Для обеспечения доступа к медным проводникам, пассивирующиеслои и слой алюминиевых проводников были удалены методомпоследовательного микрошлифования:– в течение 10 мин жестким шлифовальным диском с алмазнымабразивом 6 мкм;– в течение 2 мин с абразивом 3 мкм;– в течение 3 мин с абразивом 1 мкм;– в течение 4 мин с абразивом 0,5 мкм.Находящийсявмежслойных(М11vМ10)контактныхокнахалюминий, а также межслойный (М11vМ10) и частично внутрислойныйдиэлектрики были удалены методами вакуумно-плазменного травления(ВПТ) в системе PlasmaLab 100 (рис.