СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИС С ДВУХУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/82 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к изготовлению больших интегральных схем с двухуровневой металлизацией.

Известны способы изготовления полупроводниковых приборов, включающие нанесение на полупроводниковую подложку, в которой сформированы структуры интегральных схем, изолирующей пленки, создание алюминиевой разводки, нанесение стекловидной пленки окиси кремния, содержащей фосфор, проведение термообработки в течение 30 мин при 470-670 К, нанесение второго слоя стекловидной пленки, проведение термообработки в среде азота в течение 30 мин при 720-770 К [1], или последовательное газофазное наращивание на полупроводниковой подложке, в которой сформированы структуры интегральных схем, слоев фосфоросиликатного стекла и оксидной пленки, формирование металлических межсоединений, газофазное наращивание второй оксидной пленки с содержанием 1-7 мол.% Р₂О₅ [2].

Общим недостатком этих способов является несогласованность термических процессов, используемых с целью создания качественных изолирующих слоев между уровнями проводящей разводки с процессами рекристаллизации тонких металлических слоев и приводящих к появлению на них при температурах выше 520 К в течение десятков минут "холмиков роста" высотой до нескольких микрометров, пронизывающих слои межуровневого диэлектрика.

Известен способ изготовления полупроводникового прибора [3], включающий формирование на поверхности полупроводниковой подложки, в которой сформированы структуры слоя металлизации, имеющей дефекты в виде бугорков высотой 0,8...1 мкм, последующее нанесение слоя фоторезиста с толщиной менее высоты бугорков, термообработку, в процессе которой оголяются вершины бугорков, удаление бугорков травлением, удаление фоторезиста и нанесение бездефектного слоя нитрида кремния, поверх которого формируют второй уровень металлизации.

Недостатком этого способа является продолжение роста бугорков при последующем нанесении межуровневого изолирующего в процессах газофазного наращивания при температуре не ниже 690 К в течение десятка минут, пронизывающих слой межуровневого диэлектрика и вызывающих короткие замыкания двух уровней металлизации.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления МДП БИС с двухуровневой металлизацией, включающий формирование на полупроводниковой подложке диэлектрической изоляции, термическое выращивание тонкого подзатворного окисла, создание сток-истоковых областей, формирование поликремниевых затворов, нанесение слоя фосфоросиликатного стекла, формирование нижнего уровня металлизации, создание межуровневого диэлектрика в виде двух слоев различной толщины фосфоросиликатного стекла с одинаковым содержанием фосфора, формирование контактных окон последовательно в каждом из слоев, формирование верхнего уровня металлизации, термообработку и пассивацию схемы [4].

Недостатком способа является рост бугорков или "шипов" на нижнем слое металлизации в течение всего времени формирования двухслойного межуровневого диэлектрика, приводящей к замыканию двух уровней металлизации и выводу всей структуры БИС из строя.

Целью изобретения является повышение выхода годных МДП БИС за счет улучшения сплошности межуровневого диэлектрика.

Цель достигается тем, что в способе изготовления МДП БИС с двухуровневой металлизацией, включающем формирование на полупроводниковой подложке активных МДП структур, защищенных диэлектрическим слоем, формирование плазмохимическим травлением через фоторезистивную маску металлизации на основе алюминия, удаление фоторезистивных масок с использованием плазмы кислорода, создание межуровневого диэлектрика в виде двух слоев различной толщины, формирование плазмохимическим травлением контактных окон, нанесение пассивации, перед травлением металлизации проводят термообработку фоторезистивной маски при температуре 445...473 К в течение 20...40 мин, металлизацию формируют при температуре подложкодержателя 320...393 К и плотности ВЧ-мощности 0,45...0,6 Вт/см², контактные окна формируют при температуре подложкодержателя 280. ..393 К и плотности мощности 0,1...0,6 Вт/см², фоторезистивные маски после травления металлизации и контактных окон удаляют при температуре поверхности подложки 470...698 К в потоке кислорода, активированного ВЧ-разрядом, дополнительно проводят обработку подложек с нанесенным первым слоем межуровневого диэлектрика в хлоруглерод - и/или хлоркремнийсодержащей плазме с плотностью ВЧ-мощности 0,45...0,6 Вт/см² и температуре подложкодержателя 320...393 К, после чего наносят второй слой межуровневого диэлектрика толщиной 0,2...0,3 мкм.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед травлением металлизации проводят термообработку фоторезистивной маски при температуре 445-473 К в течение 20-40 мин, металлизацию формируют при температуре подложкодержателя 320-394 К и плотности ВЧ-мощности 0,45-0,6 Вт/см², контактные окна формируют при температуре подложкодержателя 280-393 К и плотности ВЧ-мощности 0,1-0,6 Вт/см², фоторезистивные маски после травления металлизации и контактных окон удаляют при температуре поверхности подложки 470-698 К в потоке кислорода, активированного ВЧ-разрядом, а после нанесения первого слоя межуровневого диэлектрика дополнительно проводят обработку подложек в хлоруглерод-и/или хлоркремнийсодержащей плазме с плотностью ВЧ-мощности 0,45-0,6 Вт/см² и температуре подложкодержателя 320-393 К, после чего наносят второй слой межуровневого диэлектрика толщиной 0,2-0,3 мкм.

Таким образом заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

При изучении технических решений в данной области техники признаки, отличающие изобретение от прототипа и характеризующие его в проявляющемся положительном эффекте, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Существо изобретения заключается в комплексном сочетании температурно-временных параметров технологического процесса изготовления МДП-интегральных схем, обеспечивающем на каждой операции после нанесения нижнего слоя металлизации исключение превышения температуры поверхности полупроводниковой подложки с созданными на ней структурами выше 425+273/К, при которой происходит увеличение подвижности атомов алюминия как основы металла, приводящее к росту бугорков, так называемых "шипов", т.е. кристалликов высотой от 0,5 мкм до 7 мкм.

При воздействии ВЧ-планарного разряда на поверхность подложки, покрытой тонким проводящим слоем металлизации, ее поверхность нагревается как за счет перехода кинетической энергии падающих на нее ионов в тепловую, так и за счет вихревых токов электромагнитной индукции. Получаемое от ВЧ-разряда тепло рассеивается через подложку в подложкодержателе - электроде, обладающем гораздо большей, чем подложка, теплоемкостью и теплопроводностью.

Суммарная температура поверхности подложки зависит от относительно постоянной температуры подложкодержателя и плотности ВЧ-мощности на поверхности подложки.

При превышении плотности ВЧ-мощности 0,6 Вт/см² и температуры подложкодержателя 393 К температура поверхности слоя металлизации толщиной 1,2 мкм на основе сплава алюминия и 1% кремния, нанесенного на окисленную кремниевую подложку толщиной 0,5 мм, превышает 425 К, что приводит к заметному росту "шипов" в течение времени обработки.

При уменьшении плотности ВЧ-мощности менее 0,45 Вт/см² при плазмохимическом травлении (ПХТ) металлизации резко падает скорость травления алюминиевого сплава из-за уменьшения скорости травления покрывающего его окисла, удаляемого ионной бомбардировкой при достаточно высокой плотности ВЧ-мощности.

При уменьшении температуры подложкодержателя при ПХТ металлизации ниже 320 К его поверхность, а также поверхность подложки интенсивно загрязняются продуктами реакции травления, температура сублимации которых становится выше температуры подложкодержателя при оптимальном давлении процесса ПХТ 30-50 Па, в результате чего увеличивается дефектность подложки. При уменьшении температуры ниже 280 К при ПХТ контактных окон подложки при выходе из камеры покрываются конденсатом влаги из атмосферного воздуха, сорбирующей все примеси из окружающей среды, что приводит к загрязнению подложек и росту дефектов как на металлизации, так и на межуровневом диэлектрике.

При уменьшении плотности ВЧ-мощности менее 0,1 Вт/см² при ПХТ контактных окон резко уменьшается скорость травления межуровневого диэлектрика из-за уменьшения ионной бомбардировки его.

При температуре термообработки фоторезистивной маски на нижнем уровне металлизации менее 445 К и времени выдержки 20 мин маска не выдерживает воздействий процесса ПХТ, преждевременно разрушается, формируя металлизацию с многочисленными дефектами.

Температура 473 К и время выдержки при ней 30 мин достаточны для того, чтобы слой фоторезиста толщиной 1,2-1,4 мкм сохранял свои маскирующие свойства при формировании металлизации плазмохимическим травлением с плотностью ВЧ-мощности до 0,6 Вт/см².

При времени выдержки менее 20 мин при температуре 473 К процессы полимеризации, происходящие в маске фоторезиста, не достигают необходимой степени полноты, достаточной для формирования маскирующих свойств при проведении процесса ПХТ с плотностью мощности до 0,6 Вт/см².

Удаление фоторезиста в потоке кислорода, прошедшего через зону ВЧ-разряда и содержащего в своем составе активные частицы атомарного кислорода, озона и ионы кислорода, резко увеличивается при термолизе его полимерной основы, начинающемся при температуре 470 К. Повышение температуры поверхности подложки выше 698 К за счет радиационного воздействия плазмы ВЧ-разряда, теплового эффекта химических реакций на поверхности подложки, индукционных ВЧ-токов в подложке приводит к продолжению роста "шипов" в слое металлизации, возникших на стадии своего интенсивного роста в процессе создания межуровневого диэлектрика, который проводится при температуре 698-723 К в течение десятка минут при пиролизе газов из ряда силанов.

Образованные на поверхности металлизации холмики роста ("шипы") размером от 0,5 до нескольких мкм и плотностью 10⁶...10⁷/см² частично пронизывают первый, более толстый (порядка 0,5...0,8 мкм) слой межуровневого диэлектрика, и выходят на его поверхность. Обработка полученной поверхности подложки в хлоруглерод-и/или хлоркремнийсодержащей плазме с плотностью ВЧ-мощности 0,45. . .0,6 Вт/см²и температуре подложкодержателя 320...393 К позволяет удалить выступающие на поверхность "шипы" и протравить их на глубину вплоть до границы раздела металлизация - слой диэлектрика.

Так же как и при травлении металлизации на основе алюминия в составе плазмообразующего газа необходимо присутствие хлоруглерод - и/или хлоркремнийсодержащих газов, дающих при диссоциации тяжелые частицы тип СCl₃⁺, CCl₂^+, CCl⁺, или SiCl₃⁺, SiCl₂⁺, SiCl⁺, обеспечивающие разрушение окисного слоя на поверхности алюминия в процессе ионной бомбардировки и инициирующие таким образом травление алюминия или его сплава с кремнием.

При плотности ВЧ-мощности менее 0,45 Вт/см² скорость разрушения окисного слоя на поверхности алюминиевых "шипов" резко падает и их травление прекращается.

При плотности ВЧ-мощности более 0,6 Вт/см², при подогреве подложки от подложкодержателя с температурой 320...393 К температура поверхности подложек достигает 698 К в процессе обработок, что вызывает нежелательное продолжение роста "шипов".

При температуре подложкодержателя менее 320 К его поверхность покрывается продуктами реакции травления - хлоридами алюминия, вызывая увеличение дефектности межуровневого диэлектрика.

Последующее нанесение второго, более тонкого (порядка 0,2...0,3 мкм), слоя межуровневого диэлектрика полностью закрывает образованные при предыдущем травлении каналы в первом слое на месте бывших "шипов". При этом высота "шипов", вырастающих в кратковременном (2-3 мин) процессе осаждения второго диэлектрика, не превышает общую толщину межуровневого диэлектрика, обеспечивая надежную изоляцию между двумя уровнями металлизации.

Пример конкретного осуществления способа.

На кремниевой подложке типа КДБ45 <100> выращивают термический окисел толщиной 60 нм, осаждают на него нитрид кремния толщиной 100 нм, плазмохимическим травлением удаляют нитрид с областей диэлектрической изоляции, формируют противоинверсионный слой легированием бором с энергией 100 кэВ и дозой 1,8 мккл/см² и термическим окислением при давлении 10⁶ Па создают изолирующий окисел толщиной 1,2 мкм. После удаления нитридной маски проводят промежуточное окисление до толщины окисла 30 нм, через него и фоторезистивную маску проводят легирование фосфором с энергией 100 кэВ и дозой 0,12 мккл/см². После удаления фоторезистивной маски и создания другой маски проводят второе легирование фосфором с энергией 100 кэВ и дозой 0,16 мккл/см². После удаления фоторезистивной маски и полученного окисла вновь окисляют подложку до толщины окисла 50 нм и через нее и новую фоторезистивную маску проводят легирование бором с энергией 75 кэВ и дозой 0,02 мккл/см2. После удаления фоторезистивной маски и полученного окисла формируют затворный окисел толщиной 40...45 нм и контактные окна к областям истока и стока. Наносят поликремний толщиной 0,5...0,6 мкм и легируют его фосфором при температуре 1173К до Rs=16 Ом/□ . Плазмохимическим травлением формируют разводку затворов и контактов к исток-стоковым областям МДП-структур. Формируют исток-стоковые области легированием мышьяком с энергией 100 кэВ и дозой 1500 мккл/см² с последующей разгонкой при температуре 950^оС.

Наносят пиролизом на полученные структуры слой фосфоросиликатного стекла толщиной 0,9 мкм с содержанием фосфора 8%, оплавляют его при температуре 1273 К в течение 20 мин и плазмохимическим травлением формируют в нем контактные окна. Затем проводят в них диффузию фосфора до R_s=20...25 Ом/□, снимают фоторезистивную маску, проводят отмывку в воде и на установке "Магна - М" магнетронным напылением наносят слой сплава алюминия и 1% кремния толщиной 0,6...0,7 мкм на подложки со структурами при ИК-подогреве их до температуры 453-493 К.

Затем формируют маску из фоторезиста ФЛ-МКО51 толщиной 1,2 мкм, проводят ее обработку в плазме смеси хладона-14 (СF₄) и кислорода (20...40 об. %) с плотностью мощности 0,3 Вт/см² и термообработку при температуре 445... 475 К в течение 20...40 мин в воздушной среде. Металлизацию формируют на установке плазмохимического травления "Плазма - НД - 125 ПМ" в смеси четыреххлористого углерода и азота (50 об.%) при температуре подложкодержателя 360 К и плотности ВЧ-мощности 0,5 Вт/см². Непосредственно после травления на этой же установке удаляют фоторезистивную маску в потоке кислорода, активированного ВЧ-разрядом при давлении 200...400 Па, ВЧ-мощности 500 Вт, температуре поверхности подложки 660...673 К и расстоянии от ВЧ-разряда до подложки 25 см. После обработки подложек концентрированной (96%) азотной кислотой и отмывки в воде на них осаждают первый слой межуровневой изоляции в виде пиролитического фосфоросиликатного стекла с содержанием фосфора 4%, толщиной 0,7 мкм при температуре подложки 698-703 К.

После этого подложки подвергают на установке "Плазма-НД-125 ПМ" обработке в плазме смеси четыреххлористого углерода (ССl₄) или четыреххлористого кремния (SiCl₄) и 50 об.% азота с плотностью ВЧ-мощности 0,5 Вт/см² и давлении 30 Па и температуре подложкодержателя 360 К в течение 170...250 с. Наносят на подложки второй слой межуровневой изоляции в виде пиролитического фосфоросиликатного стекла с содержанием фосфора 4%, толщиной 0,25...0,3 мкм при температуре подложки 698-703 К.

Через фоторезистивную маску, задубленную при температуре 390 К на установке "Плазма - НД - 125", проводят травление контактов в смеси хладона - 14 (СF4) и 20 об.% кислорода при температуре подложкодержателя 300...310 К и плотности ВЧ-мощности 0,5 Вт/см².

Фоторезистивную маску удаляют во втором модуле установки "Плазма НД-125 ПМ" при вышеуказанных условиях.

После обработки подложек в концентрированной азотной кислоте и отмывки на них на установке "Магна - М" наносят слой сплава алюминия и кремния (1%) толщиной 1,2 мкм. Затем формируют маску из фоторезиста ФП-МКО51 толщиной 1,4 мкм, проводят ее обработку в плазме смеси хладона-14 и кислорода (20... 40 об.%) с плотностью мощности 0,3 Вт/см² и термообработку при температуре 445...475 К в течение 20...40 мин в воздушной среде.

Металлизацию формируют на установке плазмохимического травления "Плазма - НД-125 ПМ" в смеси четыреххлористого углерода и азота (50 об.%) при температуре подложкодержателя 360 К и плотности ВЧ-мощности 0,5 Вт/см².

Непосредственно после травления на этой же установке во втором модуле удаляют фоторезистивную маску в потоке кислорода, активированного ВЧ-разрядом при давлении 200...400 Па, ВЧ-мощности 500 Вт и температуре поверхности подложки 660-673 К и расстоянии от ВЧ-разряда до подложки 25 см. После обработки подложек концентрированной азотной кислотой и отмывки проводят вжигание алюминия при температуре 748 К в течение 25 мин в водяном паре. На полученные структуры БИС наносят слой пассивации толщиной 0,9 мкм и формируют контактные площадки.

Предлагаемый способ позволяет устранить замыкания между двумя уровнями металлизации за счет устранения холмиков роста и ликвидации дефектов в межуровневом диэлектрике.

Использование: изобретение относится к микроэлектронике, в частности к изготовлению больших интегральных схем с двухуровневой металлизацией. Сущность изобретения: способ включает формирование МДП-структур, защищенных диэлектрическим слоем, формирование металлизации, удаление фоторезистивных масок, создание межуровневого диэлектрика, формирование контактных окон, нанесение пассивации. Во всех операциях с тепловым воздействием не структуры МДП БИС с нанесенным первым уровнем металлизации в процессе их изготовления строго регламентированы температурные условия проведения операций как по прямому нагреву подложки, так и по косвенному при воздействии ВЧ-полей при плазмохимическом травлении. Дополнительно проводят плазмохимическую обработку слоя межуровневого диэлектрика в хлоруглерод- и/или хлоркремнийсодержащей плазме. В результате повышается выход годных. Исключено появление сквозных проводящих дефектов в слое межуровневого диэлектрика.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИС С ДВУХУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИЕЙ, включающий формирование на полупроводниковой подложке активных областей МДП-структур, защищенных диэлектрическим слоем, формирование металлизации на основе алюминия плазмохимическим травлением через фоторезистивную маску, удаление фоторезистивной маски в плазме кислорода, создание межуровневого диэлектрика, состоящего из двух слоев различной толщины, формирование контактных окон плазмохимическим травлением через фоторезистивную маску, удаление фоторезистивной маски в плазме кислорода, нанесение пассивирующего покрытия, отличающийся тем, что перед плазмохимическим травлением для формирования металлизации проводят термообработку фоторезистивной маски при температуре 445 - 473 К в течение 20 - 40 мин, плазмохимическое травление проводят при температуре подложкодержателя 320 - 393 К и плотности ВЧ-мощности 0,45 - 0,6 Вт/см², контактные окна формируют при температуре подложкодержателя 280 - 393 К и плотности ВЧ-мощности 0,1 - 0,6 Вт/см², фоторезистивные маски после травления металлизации и контактных окон удаляют при температуре поверхности подложки 470 - 698 К в потоке кислорода, активированного ВЧ-разрядом, а после нанесения первого слоя межуровневого диэлектрика дополнительно проводят обработку подложек в хлоруглерод- и/или хлоркремнийсодержащей плазме с плотностью ВЧ-мощности 0,45 - 0,6 Вт/см² и температуре подложкодержателя 320 - 393 К, после чего наносят второй слой межуровневого диэлектрика толщиной 0,2 - 0,3 мкм.