СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА Российский патент 2005 года по МПК H01L21/28 

Областью применения изобретения является электронная техника, а более конкретно технология производства интегральной схемы (ИС) на кремнии. Изобретение может быть использовано для изготовления системы металлизации ИС.

Известен полупроводниковый прибор с системой металлизации, содержащий сплав Аl-Сu(5%), нитрид титана TiN, дисилицид титана TiSi₂ [1]. Недостатком его является то, что он оказывается стабильным только до температуры 500° С. Более того, как следует из экспериментальных результатов, уже при этой температуре было обнаружено проникновение меди на границу с активной областью прибора, что является неприемлемым.

Известны также другие системы металлизации для полупроводникового прибора, которые содержат медь Сu и диборид TiB₂ [2] или нитрид тантала TaN [3]. Недостатком этих систем является то, что пределом их стабильности является температура 600-680° С, что составляет всего 60-65% от температуры плавления меди. Кроме того, TiB₂ и TaN имеют достаточно высокое удельное сопротивление 450-500 мкОм· см и ухудшают общее сопротивление системы металлизации.

Известна также система металлизации, которая содержит материал на основе карбида металла, выбираемого из группы: вольфрам, молибден, тантал, титан, ниобий, цирконий, ванадий и хром, которые создают термодинамически стабильную пару с кремнием и его соединениями при температурах выше примерно 500° С. В систему металлизации ИС, наряду с кремнийсодержащими, входят материалы на основе алюминия или меди, которые могут содержать примеси. Из литературных источников [1-3] хорошо известно, что очень частой причиной деградации электрофизических характеристик полупроводникового прибора является проникновение именно атомов меди, алюминия или примеси из системы металлизации на границу и вглубь активной области прибора. Недостатком способа [4] является то, что в нем используются материалы, выбираемые только с точки зрения стабильности в паре с кремнием, и не учитывается наличие других элементов. В результате это отражается на температуре стабильности - только свыше 500° С, в то время как некоторые возможные последующие технологические процессы могут проводиться при температурах свыше 600-650° С.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ, включающий в себя следующие технологические операции [5]. Формирование на подложке активных областей приборов, маскирование, вскрытие контактных окон к активным областям, формирование системы металлизации, содержащей аморфный металлид, выбранный из группы, содержащей переходный металл, переходный металл/нормальный металл сплав и переходный металл/металлоид сплав, вышеупомянутый слой находится в аморфном состоянии.

Недостатком способа [5] является то, что используемые в нем материалы Ni-Mo, Ni-Nb, Mo-Si, W-Si и Ni-Ta хотя и являются аморфными и имеют температуру кристаллизации 800-900° С, но в контакте, в частности, со слоем алюминия кристаллизуются и взаимодействуют с ним уже при 525-530° С [6].

Задачей настоящего изобретения является создание полупроводникового прибора, выдерживающего высокотемпературные технологические операции при температурах выше примерно 650° С благодаря использованию стабильной системы металлизации, предотвращающей проникновение различных ее компонентов в активную область, и примесей из активной области.

Для достижения указанного технического результата в способе изготовления полупроводникового прибора, включающем формирование на кремниевой подложке активных областей приборов, маскирование, вскрытие контактных окон к активным областям, формирование системы металлизации, в составе которой используют аморфный металлид, который обладает отрицательной теплотой смешения (Е_см), компоненты которого обладают более низким давлением собственных паров или более высокой теплотой сублимации, чем материал подложки и остальные компоненты материалов системы металлизации.

Таким образом, отличительными признаками изобретения является то, что система металлизации содержит аморфный металлид, обладающий отрицательной теплотой смешения, компоненты которого обладают более низким давлением собственных паров или более высокой теплотой сублимации, чем материал подложки и остальные компоненты материалов системы металлизации.

Такая совокупность отличительных признаков позволяет устранить недостатки способа [5] и получить полупроводниковый прибор, выдерживающий высокотемпературные технологические операции при температурах выше примерно 650° С благодаря использованию стабильной системы металлизации, предотвращающей проникновение различных ее компонентов в активную область и примесей из активной области.

В современной микроэлектронике наиболее широко используется система металлизации, содержащая материал на основе меди или алюминия. При применении высокотемпературных операций необходимо обеспечить сохранность предопределенных параметров прибора, что в свою очередь требует создания высокостабильной системы металлизации, которая препятствует такому деградационному явлению, как изменение электрофизических параметров приборов вплоть до их отказа из-за проникновения отдельных компонентов системы металлизации, таких как алюминий и медь, на границу металлизации с активными областями полупроводника.

Частой причиной деградации прибора является химическое взаимодействие между системой металлизации и материалом подложки, в частности кремнием, либо внутри системы металлизации, в результате которой образуются другие вещества. Стремление системы к перемешиванию и взаимодействию характеризуется энергией (теплотой) смешения. Прежде всего, положительное значение энергии смешения характеризует стремление компонентов системы к обособлению, а при Е_см≥_{2· k· Т (Есм - энергия смешения, k - постоянная Больцмана, Т - температура) наблюдается расслаивание. Отрицательное значение энергии смешения указывает на тенденцию к объединению. Если материал характеризуется отрицательной энергией смешения, то взаимодействие этого материала с другими компонентами системы металлизации менее вероятно, чем материала с положительной энергией смешения. Причем чем отрицательнее энергия смешения, тем ниже вероятность его взаимодействия.}

Процесс взаимодействия, в первую очередь, происходит на интерфейсе границы раздела фаз, так как здесь существует локальное повышение свободной энергии. Поэтому для уменьшения скорости протекания деградации все основные компоненты материала, предотвращающего деградацию, должны обладать низкой поверхностной активностью, или, другими словами, необходимо отсутствие энергетической выгодности выхода атомов материала из объема. Параметром для оценки поверхностной активности компонентов может быть сравнение теплот сублимации компонентов или их давлений собственных паров над поверхностью: чем теплота сублимации выше, а давление собственных паров ниже, тем ниже поверхностная активность компонента.

Другим путем деградации прибора является диффузия атомов из одного материала в другой. В настоящее время известно, что диффузия вдоль границ раздела фаз и границ зерен в поликристаллических материалах имеет наименьшую энергию активации и протекает в десятки раз быстрее, чем объемная решеточная диффузия. В связи с этим именно возникновение диффузии по границам зерен является причиной низкотемпературной деградации системы металлизации, в которой используется поликристаллический материал. Для ее предотвращения целесообразно использовать аморфные материалы, в которых межзеренные границы отсутствуют.

В соответствии с изложенным выше в качестве компонентов металлида в составе системы металлизации могут быть выбраны элементы из группы W, Та, Nb, Mo. Во-первых, как можно видеть в таблице 1, это элементы, которые обладают одними из самых больших величин теплоты сублимации и одними из самых низких значений давления собственных паров и, следовательно, не являются поверхностно-активными среди других компонентов системы металлизации и поэтому не склонны накапливаться на межфазных границах. Во-вторых, системы W-Ta, W-Nb, Ta-Mo, Nb-Mo представляют собой непрерывные ряды твердых растворов [7], и, следовательно, величины энергии смешения этих систем отрицательны [8]. В-третьих, тонкие пленки сплавов W-Ta, W-Nb, Ta-Mo, Nb-Mo, осажденные, в частности, методом ионно-плазменного распыления, являются аморфными.

Таблица 1
Теплоты сублимации Δ Н_S298 и десятичные логарифмы давления собственных паров над поверхностью lgP₂₉₈ при 298 К [6]Компоненты системы металлизацииΔ Н_S298, ккалlgP₂₉₈Si108,0-49,4Аl78,7-44,2Сu80,68-48,7Ti112,6-74,2Со102,38 Ni102,49-47,4Компоненты металлидаΔ Н_S298, ккалlgP₂₉₈Nb172,5 Mo158,4-85,5Та186,5-113,0W203,5-142,7

В качестве аморфного металлида целесообразно использовать материал W-Ta, поскольку энергия смешения его отрицательна, а компоненты его обладают самыми высокими теплотами сублимации и самыми низкими давлениями собственных паров [6].

В целях увеличения температурного диапазона существования стабильной системы металлизации, замедления протекания процесса деградации и повышения стабильности аморфного состояния металлида необходимо вносить легирующие примеси из группы: азот, углерод, бор, кремний, фосфор, германий, мышьяк. Эти легирующие примеси, с одной стороны, повышают стабильность аморфного состояния металлида [9], а с другой, сегрегируют в зонах с повышенной свободной энергией, таких как граница раздела фаз, межзеренная граница, локальные неоднородности и др., и пассивируют их, препятствуя тем самым процессу деградации.

На чертеже приведены этапы заявляемого способа создания полупроводникового прибора.

На чертеже, а представлена подложка 1 со сформированными активными областями 2, маскирующим диэлектриком 3 и контактными окнами 4, 5.

На чертеже, б представлена структура со сформированной системой металлизации 6, содержащая в себе слой аморфного металлида и другие слои металлизации, включая межуровневый диэлектрик.

Такой способ может быть использован, например, для создания биполярного транзистора с активными областями в n-эпитаксиальном слое и контактными окнами к ним через слой диэлектрика, например диоксида кремния SiO₂. В состав металлизации, обеспечивающей межсоединение активных областей через контактные окна, входит силицид титана, обеспечивающий необходимые электрические параметры контакта с активной областью к кремнию, для обеспечения стабильности прибора в процессе высокотемпературных операций, аморфный металлид Ta-W, содержащий азот в качестве легирующей добавки, и сплав Аl-Сu(5%), обеспечивающий низкое сопротивление. Компоненты этого металлида Та и W обладают наиболее низким давлением собственных паров или наиболее высокой теплотой сублимации, чем остальные компоненты материалов системы металлизации. Азот в качестве легирующей примеси сегрегирует в зонах с повышенной свободной энергией, увеличивает стабильность аморфного состояния металлида Ta-W и уменьшает тенденцию к деградации системы металлизации даже при высокотемпературных обработках выше примерно 65° С. Травление рисунка системы металлизации лучше осуществлять в хлорсодержащей плазме. Поверх системы металлизации формируется планаризующий диэлектрик, например диоксид кремния SiO₂.

Таким образом, представленное изобретение является применимым в производстве интегральных схем и является достаточно технологичным. Может быть применено для изготовления таких же приборов, как и при применении прототипного изобретения, но с более стабильной системой межсоединений.

Источник информации

1. Lu J.P., Hsu W.Y. и др. "Thermal stability of Al/barrier/TiSi_x multilayer structures". Thin Solid Films 32 -стр.2-25, 1998 г.

2. Sade G., Pelleg J. "Co-sputtered TiB₂ as diffusion barrier for advanced microelectronic with Cu metallization". Applied Surface Science 91, стр.263-268, 1995 г.

3. Wen Luh Yang, Wen-Fa Wu и др. "Barrier capability of TaN_x films deposited by different nitrogen flow rate against Cu diffusion in Cu/TaN_x/n⁺-p junction diodes". Solid-State Electronics 45, стр.149-159, 2-1 г.

4. Патент США N 54143-1.

5. Патент США N 4494136 - прототип.

6. Верятин У.Д., Маширев В.П., Рябцев Н.Г., Тарасов В.И., Рогозкин Б.Д., Коробов И.В. Термодинамические свойства неорганических веществ // Справочник. Под ред. А.П.Зефирова. М.: Атомиздат, 1965, -46-с.

7. Хансен М. Структуры двойных сплавов. Справочник: В 2т./М.Хансен, К.Андерко.-М., 1962. -1488 с.

8. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники//М.: Металлургия, 1979. 4-9 с.

9. Физический энциклопедический словарь. Под ред. А.М.Прохорова //М.: “Советская энциклопедия”, 1984. -944 с. (с.4-8).

10. Miedema A.R., Boom R., De Boer F.R. On the heat of formation of solid alloys // J. Less-Common Metals, 1975, p.283-298.

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии изготовления интегральной схемы на кремнии. Сущность изобретения: способ включает формирование на подложке активных областей приборов, маскирование, вскрытие контактных окон к активным областям, формирование системы металлизации, содержащей аморфный металлид, который обладает отрицательной теплотой смешения, а его компоненты обладают более низким давлением собственных паров или более высокой теплотой сублимации, чем материал подложки и остальные компоненты системы металлизации. Техническим результатом изобретения является создание полупроводникового прибора, выдерживающего высокотемпературные технологические операции при температурах выше примерно 650°С, благодаря использованию стабильной системы металлизации, предотвращающей проникновение различных ее компонентов в активную область и примесей из активной области. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления полупроводникового прибора, включающий формирование на подложке активных областей приборов, маскирование, вскрытие контактных окон к активным областям, формирование системы металлизации, содержащей аморфный металлид, отличающийся тем, что указанный металлид обладает отрицательной теплотой смешения, и компоненты которого обладают более низким давлением собственных паров или более высокой теплотой сублимации, чем материал подложки и остальные компоненты системы металлизации.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что компоненты указанного металлида выбираются из группы W, Ta, Nb, Mo.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что компонентами указанного аморфного металлида являются W и Та.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный аморфный металлид включает в себя легирующие примеси из ряда азот, углерод, бор, кремний, фосфор, германий, мышьяк, сурьма.5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что указанный аморфный металлид, компонентами которого являются W и Та, включает в себя азот как легирующую примесь.6. Способ по пп.4 и 5, отличающийся тем, что указанный аморфный металлид, компонентами которого являются W и Та, содержащий азот как легирующую примесь, включает в себя кремний как легирующую примесь.