СПОСОБ СОЗДАНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/28 

Изобретение относится к полупроводниковому производству и может быть использовано в технологии изготовления БИС и СБИС с двумя и более уровнями межсоединений, увеличенной плотностью упаковки и малым шагом по металлизации.

В последнее время с ростом степени интеграции, использованием изопланарной изоляции и процессов сухого анизотропного травления все более актуальной становится проблема планаризации поверхностного микрорельефа интегральных микросхем, без решения которой невозможно получение коммутации элементов интегральной схемы многоуровневыми межсоединениями.

Известен способ формирования многоуровневых межсоединений, включающий создание первого уровня межсоединений, нанесение первого диэлектрического покрытия, нанесение органического планаризующего слоя, неселективное травление органического и диэлектрического слоев, удаление остаточного органического слоя, нанесение второго диэлектрического изолирующего покрытия, вскрытие областей формирования межуровневых контактов и создание последующих уровней межсоединений [1].

Данному способу присущи следующие недостатки:
- после нанесения органического слоя, вследствие различной степени его растекания, толщина органического слоя над узкими шинами межсоединений (2-4 мкм) более, чем на 0,4 мкм меньше его толщины над широкими шинами, что приводит после неселективного травления органического и диэлектрического слоев к возникновению разнотолщинности диэлектрического слоя над шинами межсоединений с различной шириной и к трудностям с формированием качественных межуровневых контактов,
- после нанесения второго изолирующего диэлектрического покрытия суммарная толщина межуровневого диэлектрика между шинами межсоединений и над "утопленными" участками шин межсоединений (в областях контакта к кремнию) фактически равна сумме толщин первого и второго диэлектрического покрытий. В последнем случае еще более усугубляется проблема получения межуровневых контактов к шинам нижнего уровня межсоединений, расположенным на различном уровне микрорельефа.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому решению является способ формирования многоуровневых межсоединений, включающий создание первого уровня межсоединений, нанесение диэлектрического слоя, нанесение органического слоя и формирование в нем окон, соответствующих областям межуровневых контактов, неселективное травление органического и диэлектрического слоев и формирование последующих уровней межсоединений [2].

Способ-прототип обладает рядом существенных недостатков:
- в процессе неселективного травления диэлектрический слой подвергается ионной бомбардировке, что ухудшает его изолирующие свойства,
- в процессе неселективного травления может наблюдаться деструкция поверхности фоторезиста и нарушение ее зеркальности, а при переходе границы раздела органический слой - диэлектрический слой происходит нарушение морфологии поверхности и диэлектрического слоя, что приводит к появлению "сыпи", механических включений и ухудшает внешний вид поверхности структур, и, кроме того, возможно затекание органического слоя в областях межуровневых контактов,
- реализация способа предполагает использование компромиссных режимов и параметров, обеспечивающих одновременно вскрытие межуровневых контактов, сохранения изолирующих свойств диэлектрического слоя и получение качественной планаризации поверхностного микрорельефа. В реальном технологическом процессе, как правило, приходится жертвовать последним критерием, особенно на структурах с нерегулярной топологией межсоединений, увеличенной толщиной и малым шагом по металлизации,
- способ имеет малую производительность вследствие используемых скоростей травления органического и диэлектрического слоев (2, 3 и 2,5 мкм/час соответственно),
- когда зазор между шинами межсоединений становится сравним с толщиной диэлектрического слоя (начиная с ≈ 2 мкм) в процессе осаждения диэлектрического слоя увеличенной толщины вследствие недостаточной конформности его нанесения возможно образование пустот в диэлектрическом слое между шинами межсоединений. Эти пустоты могут вскрываться в процессе неселективного травления органического и диэлектрического слоев и приводит к обрывам и недотравливанию верхних шин межсоединений.

Целью изобретения является повышение надежности интегральных микросхем за счет улучшения степени планаризации структур и повышения ее воспроизводимости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе создания многоуровневых межсоединений интегральных схем, включающем формирование нижнего уровня межсоединений, путем осаждения диэлектрического слоя, нанесения органического слоя и формирования в нем окон, соответствующих областях межуровневых контактов, неселективного травления органического и диэлектрического слоев и формирование последующих уровней межсоединений, диэлектрический слой наносят толщиной, составляющей 1,3-1,4 толщины нижнего уровня межсоединений, после вскрытия в органическом слое окон, соответствующих областям межуровневых контактов, осуществляют его термоионную или фотонную стабилизирующую обработку, неселективное травление органического и диэлектрического слоев производят со скоростью 0,6-0,8 мкм/мин при нагревании поверхности структур 200-220^оС до достижения остаточной толщины диэлектрического слоя 0,1-0,3 мкм над шинами межсоединений с максимальной шириной, осаждают дополнительный диэлектрический слой, наносят дополнительный органический слой, формируют контактные окна, производят селективное по отношению к дополнительному органическому слою травления дополнительного диэлектрического слоя и удаляют остаточный органический слой.

Поставленная цель достигается тем, что при термоионной обработке структуры сначала подвергают плазменному воздействию при плотности мощности 0,6-0,7 Вт/см² в атмосфере кислорода, а затем осуществляют их термическую обработку при температуре 180-200^оС, фотонную стабилизирующую обработку осуществляют облучением в ультрафиолетовой части спектра с длиной волны 0,25-0,28 мкм при плотности мощности светового потока 5-7 Вт/см^-2.

Введение предлагаемого ограничения на соотношении толщин диэлектрического слоя и нижнего уровня межсоединений (толщина диэлектрического слоя составляет 1,3-1,4 толщины нижнего уровня межсоединений) позволяет добиться максимальной планаризации при нерегулярной топологии нижнего уровня межсоединений. Действительно, рассматривая морфологию поверхности после неселективного травления, когда над шинами с максимальной шириной остался 0,1-0,3 мкм диэлектрического слоя, а над узкими шинами диэлектрический слой стравлен полностью, над набором узких шин межсоединений с минимальным зазором между шинами, где исходная толщина органического слоя, как и над широкими шинами, была максимальной, остается диэлектрический слой также, толщиной 0,1-0,3 мкм но только над самыми шинами металла, а между узкими шинами остается диэлектрический слой исходной толщины. Таким образом, если например толщина диэлектрического слоя равна толщине нижнего уровня межсоединений, то даже после идеального процесса планаризующего неселективного травления над набором узких шин межсоединений остается неспланаризованный микрорельеф, имеющий резкие перепады разнотолщинности до 0,3 мкм, что оказывается достаточным для получения параметрического брака вследствие обрыва или недотрава верхнего уровня межсоединений на рельефе нижнего.

В случае, когда толщина диэлектрического слоя более чем в 1,3 раза превышает толщину нижнего уровня межсоединений после планаризующего неселективного травления между узкими шинами межсоединений, в наборе с минимальным зазором не формируется микровпадин с резким профилем, а имеет место плавный переход толщины диэлектрического слоя, как и над широкими шинами, межсоединений.

В предлагаемом способе, в отличие от способа-прототипа, с целью исключения возможности недовскрытия межуровневых контактов, увеличения пористости межуровневого диэлектрика и ухудшения степени планаризации, разделены процессы неселективного планаризующего травления и вскрытия областей формирования межуровневых контактов. Для обеспечения оптимально сглаженного микрорельефа процесс неселективного травления органического и диэлектрического слоев осуществляют до остаточной толщины диэлектрического слоя 0,1-0,3 мкм над шинами межсоединений с максимальной шириной. В этом случае одиночные узкие шины межсоединений полностью спланированы, а над широкими шинами и над набором узких шин с минимальным зазором толщина остаточного диэлектрического слоя плавно увеличивается до значений 0,1-0,3 мкм к центру широкой шины или набора узких шин.

Проведение стабилизирующей термоионной или ультрафиолетовой обработки органического слоя позволяет осуществлять неселективное планаризующее травление без ухудшения морфологии поверхностей органического, а затем и диэлектрического слоев, даже при использовании режимов травления, позволяющих достигать высоких плотностей мощности плазменного разряда и скоростей травления. Кроме того, стабилизирующая обработка исключает возможность искажения геометрии или полного затекания органического слоя в контактных окнах, соответствующих областях межуровневых контактов. Оптимальными условиями стабилизирующей обработки является сочетание плазменного воздействия на поверхность органического слоя в атмосфере кислорода, которая наряду с оказанием стабилизирующего эффекта на поверхность органического слоя, не приводит к нарушению морфологии его поверхности, с термической обработкой, стабилизирующей вследствие испарения влаги и полимеризации, объем органического слоя. Стабилизирующую обработку предлагается также проводить с помощью облучения поверхности структур ультрафиолетовым излучением, в процессе которого происходит одновременное задубливание объема и поверхности органического слоя без искажения морфологии последней.

Высокоскоростное неселективное травление органического и диэлектрического слоев в предлагаемом диапазоне температуры поверхности структур позволяет наряду с увеличением производительности процесса планаризации, добиться улучшения степени планаризации и оптимизировать профиль ступеньки диэлектрического слоя в областях формирования межуровневых контактов за счет частичного оплавления поверхности органического слоя в процессе неселективного травления и получения пологого профиля диэлектрического слоя вокруг областей формирования межуровневых контактов после окончания процесса неселективного травления.

Повторный цикл операций осаждения диэлектрического изолирующего слоя, нанесения органического слоя формирования в нем окон, соответствующих областям межуровневых контактов, селективное по отношению к органическому слою травление диэлектрического слоя и удаление остаточного органического слоя позволяет существенно улучшить изолирующие свойства диэлектрического слоя, с гарантией вытравить диэлектрический слой из областей формирования межуровневых контактов и улучшить профиль заполнения ступеньки, образованной рельефом нижнего уровня межсоединений.

Если толщина диэлектрического слоя составляет менее 1,3 от толщины нижнего уровня межсоединений в центре блока узких шин с минимальным зазором между ними остается участок с неспланаризованным микрорельефом, что снижает надежность межсоединений. При толщине диэлектрического слоя более 1,4 от толщины нижнего уровня межсоединений возможно образование пустот в узком зазоре между шинами межсоединений. Кроме того, увеличивается вероятность растрескивания диэлектрического слоя, что также снижает надежность межсоединений.

Если неселективное травление осуществлять до остаточной толщины менее 0,1 мкм над широкими шинами межсоединений, будет наблюдаться затравливание диэлектрического слоя вокруг узких шин межсоединений, что восстанавливает исходный микрорельеф и может привести к затравливанию нижележащего термического диэлектрического покрытия и деградации параметров активных структур. Травление до остаточной толщины более 0,3 мкм над широкими шинами ухудшает эффект планаризации рельефа рядом с шинами и делает возможным недовскрытие диэлектрического слоя в областях формирования межуровневых контактов.

Если скорость неселективного травления не превышает 0,6 мкм/мин, то снижается производительность способа, а также возможно затекание контактных окон и возникают проблемы с достижением требуемого диапазона температур поверхности структур. Увеличение скорости неселективного травления до значений более 0,8 мкм/мин приводит к увеличению шероховатости органического слоя и как следствие, диэлектрического слоя, что ухудшает внешний вид и уменьшает выход годных структур.

Проведение процесса неселективного травления при температурах поверхности структур менее 200^оС не приводит к ухудшению степени планаризации и профиля ступеньки диэлектрического слоя в областях формирования межуровневых контактов. Если температура поверхности структур более 230^оС возможно увеличение шероховатости поверхности структур и затекание материала органического слоя в областях формирования контактных окон.

Изобретение реализуется следующим образом.

В исходной кремниевой подложке методами фотолитографии, окисления, ионной металлизации, плазмохимии формируют активные элементы и контактные окна к ним. Топологию нижнего уровня межсоединений создают путем плазмохимического травления слоев алюминия и вольфрама - титана с суммарной толщиной 1,0-1,1 мкм. После гидромеханической обработки на структуры осаждают диэлектрический слой оксида кремния толщиной 1,4 мкм, полученный плазмохимическим разложением гексаметилдисилоксана в атмосфере кислорода.

В качестве органического слоя использовали фоторезист марки ФП-051 мк, который после вскрытия контактных окон, соответствующих областям межуровневых контактов, обрабатывали в плазме кислорода при плотности мощности 0,65 Вт/см² на установке 08ПХ0 125/50-008 с последующей термической обработкой при температуре +190^оС в течение 30 мин или обрабатывали облучением при длине волны 0,25 мкм и плотности мощности светового потока 6 Вт/см² на установке ГУФ-150. Неселективное травление фоторезиста и диэлектрика проводили в смеси фтороуглеродгалогенов со скоростью 0,65 мкм/мин, при температуре поверхности структур 200-210^оС на установке "Плазма - 125ИМ". Температуру поверхности структур определяли с помощью термопары и стабилизации фиксацией температуры и давления воды, охлаждающей электрод-подложкодержатель, и величиной падающей мощности, или с помощью термостатической жидкости. Травление проводили до остаточной толщины диэлектрического слоя 0,2 мкм, над шинами межсоединений шириной 120 мкм.

Затем на структуры осаждают диэлектрический слой оксида кремния, полученный методом осаждения из газовой фазы толщиной 1,1 мкм, и фоторезистивный слой, в котором формируют окна, соответствующие областям межуровневых контактов.

Селективное травление диэлектрического слоя по отношению к фоторезисту производят на установке "Плазма - 125ИМ" в смеси фторуглеродгалогенов с селективностью травления 1:5. Остаточный органический слой удаляют в кислородной плазме на установке "Плазма - 125 Ф". Затем наносят слой алюминия толщиной 1,2 мкм и формируют топологию верхнего уровня межсоединений.

Данный способ создания многоуровневых межсоединений интегральных схем позволяет получать близкую к идеальной планаризацию поверхностного микрорельефа, образованного межсоединениями увеличенной толщины (до 1,5 мкм), имеющего вертикальный профиль ступеньки и минимальный шаг (менее 5 мкм) независимо от величины исходного изопланарного микрорельефа.

Способ дает возможность реализовать СБИС с двумя и более уровнями межсоединений, увеличенной плотностью упаковки и использованием сухих методов травления. Особо следует отметить актуальность способа при изготовлении сильноточных СБИС.

Изобретение относится к полупроводниковому производству и можеть быть использовано в технологии изготовления БИС и СБИС с двумя и более уровнями межсоединений. Сущность изобретения: в способе создания многоуровневых межсоединений интегральных микросхем нижний диэлектрический слой наносят толщиной, составляющей 1,3 1,4 толщины нижнего уровня межсоединений. После вскрытия окон в органическом слое осуществляют его термоионную или фотонную стабилизирующую обработку. Неселективное травление органического и диэлектрического слоев производят со скоростью 0,6 - 0,8 мкм/мин при нагревании поверхности структур до 200 - 220°С до достижения остаточной толщины диэлектрического слоя 0,1 - 0,3 мкм над шинами межсоединений с максимальной ширины. Осаждают последующий диэлектрический слой. Наносят последующий органический слой и формируют в нем окна, соответствующие областям межуровневых контактов. Производят селективное по отношению к последующему органическому слою травление последующего диэлектрического слоя. После этого удаляют остаточный последующий органический слой. Положительный эффект: получение планарной поверхности, близкой к идеальной, реализация СБИС с двумя и более уровнями межсоединений с увеличенной плотностью упаковки. 2 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ СОЗДАНИЯ МНОГОУРОВНЕВЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ, включающий формирование нижнего уровня межсоединений путем осаждения диэлектрического слоя, нанесения органического слоя и создания контактных окон, неселективного травления органического и диэлектрического слоев и формирование последующих уровней межсоединений, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности микросхем за счет улучшения степени планаризации структур и обеспечения ее воспроизводимости, а также повышения производительности способа, нижний диэлектрический слой наносят толщиной, составляющей 1,3 - 1,4 толщины нижнего уровня межсоединений, после создания окон в органическом слое осуществляют его термоионную или фотонную стабилизирующую обработку, неселективное травление органического и диэлектрического слоев производят со скоростью 0,6 - 0,8 мкм/мин при нагревании поверхности структур до 200 - 220^oС до достижения остаточной толщины диэлектрического слоя 0,1 - 0,3 мкм над шинами межсоединений с максимальной шириной, осаждают дополнительный диэлектрический слой, наносят дополнительный органический слой, формируют контактные окна, производят селективное по отношению к дополнительному органическому слою травление дополнительного диэлектрического слоя и удаляют остаточный органический слой. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при термоионной обработке структуры сначала подвергают плазменному воздействию при плотности мощности 0,6 - 0,7 Вт/см² в атмосфере кислорода, а затем осуществляют их термическую обработку при 180 - 200^oС. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фотонную стабилизирующую обработку осуществляют облучением в ультрафиолетовой части спектра с длиной волны 0,25 - 0,28 мкм при плотности мощности светового потока 5 - 7 Вт/см².