СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕДНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ С УЛЬТРАНИЗКИМ ЗНАЧЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПОСТОЯННОЙ ВНУТРИУРОВНЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H01L21/768 

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники: технология изготовления многоуровневой металлизации сверх больших интегральных микросхем.

При формировании многоуровневой металлизации СБИС в настоящее время широко используется медная металлизация, изготавливаемая методом Dual Damascen, для краткости будем его обозначать как ДД. Кратко, основная идея метода состоит в том, что в слое диэлектрика вытравливаются канавки с отверстиями на дне до поверхности нижерасположенных проводников. Канавки и отверстия одновременно в одних технологических операциях методами PVD (physical vapour deposition) покрываются барьерным и зародышевым слоями и электрохимическим методом заполняются медью. Традиционным направлением развития технологии интегральных микросхем является уменьшение линейных размеров элементов интегральных микросхем в плоскости пластины. Эта тенденция приводит к тому, что несмотря на большие успехи достигнутые этой технологией за последние годы, не полностью решенными остаются ряд проблем многоуровневой металлизации, усиливающиеся с уменьшением топологических норм проектирования. Наиболее значимыми являются следующие:

1. С уменьшением ширины проводников ощутимо начинает проявляться негативное явление: увеличивается значение объемного сопротивления проводников (Фиг.1а). Это явление обычно объясняется тем, что с уменьшением ширины проводников повышается роль рассеяния электронов на поверхности проводников. Этот эффект должен сказываться одинаковым образом у всех производителей СБИС. Однако, экспериментальные результаты различных фирм не совпадают и показывают существенно большие увеличения сопротивления, чем только поверхностное рассеяние. Нам представляется, что это различие возникает из-за различия условий формирования медных проводников в процессе ДД у разных производителей. Результаты передовых фирм показывают, что возможности для снижения сопротивления проводников с уменьшением их ширины имеются. Процесс изготовления медных проводников методом ДД довольно сложный и сложно воспроизводимый. Наличие барьерного слоя на двух противоположных стенках канавок приводит к увеличению эффективного значения удельного сопротивления проводников. На Фиг.1б показано как влияет толщина барьерного слоя на эффективное удельное сопротивление проводников, чем меньше проектная норма, тем больше влияние барьерного слоя. В настоящее время с целью компенсации увеличения сопротивления проводников увеличивают их высоту. Показано (Фиг.1в), что при этом увеличение удельного сопротивления медных проводников с уменьшением их ширины уменьшается. Но это приводит к значительному усложнению процесса нанесения равномерного по толщине барьерного слоя по всей поверхности как канавок так и вертикальных отверстий. С уменьшением ширины линий в значительной степени начинает сказываться также и шероховатость края линий формируемых в литографическом процессе [1].

2. Недостаточная устойчивость медных проводников, изготавливаемых методом ДД, к возникновению дефектов (обрывов проводников) из-за электромиграции. Объясняется это несколькими факторами. Во-первых, после электрохимического осаждения в пленке меди создается высокая концентрация вакансий (не насыщенных связей), поэтому кристаллическая структура медного слоя не стабильная, в ней даже при комнатной температуре сразу после осаждения начинаются процессы рекристаллизации [2]. Этот процесс может продолжаться достаточно длительное время. Видимый результат этого явления проявляется в уменьшении объемного сопротивления пленки меди (Фиг.2). Миграция вещества, а также миграция пор и их укрупнение ускоряются с повышением температуры, особенно в области повышенного градиента плотности тока и механических напряжений. Такой областью в конструкции многоуровневой металлизации является область контакта вертикального и горизонтального проводников. Конструкция этого участка с экспериментальными результатами исследования, появления и развития электромиграционных отказов в медных проводниках представлены на Фиг.3 [3]. В основном максимальная интенсивность разрушения медных проводников начинается на границе вертикального и горизонтального проводников, там где наблюдается максимальный градиент плотности тока, и механических напряжений, а направление дальнейшего разрушения зависит от того откуда в эту область поступают вакансии. В плотных системах межсоединений ширина проводников соседних уровней металлизации обычно одинаковая, поэтому с уменьшением ширины проводников а максимально возможное сечение вертикального проводника равно а², а для горизонтального проводника площадь сечения определяется как ah, где h высота (толщина) проводника. Чтобы уменьшить сопротивление проводников, h обычно делают в 1,5-2.5 раза больше а, поэтому плотность тока в горизонтальных проводниках всегда меньше, чем в вертикальных проводниках. Это объективная реальность. На Фиг.3 показаны снимки на РЭМ различных участков разрушения медных проводников. На Фиг.3А [3] разрушения развиваются внутрь нижнего горизонтального проводника от границы с вертикальным проводником, так как в горизонтальном проводнике из-за большего объема содержится значительно большее число вакансий. С другой стороны, почему разрушения начались в нижнем горизонтальном проводнике? Одно из объяснений заключается в том, что вертикальные проводники на Фиг.3А имеют сужение к низу, следовательно, у нижней границы вертикального проводника скачок плотности тока выше, чем у верхней границы, поэтому разрушение начинается у нижней границы вертикального проводника за счет вакансий поступающих из нижнего горизонтального проводника. В вертикальный проводник эти вакансии проникнуть не могут, т.к. между вертикальным и нижним горизонтальным проводниками находится барьерный слой. На Фиг.3Б и Фиг.3Г электромиграция началась по нижней поверхности внутри вертикального медного проводника из-за некачественного барьерного и зародышевого слоев на дне и боковых стенках вертикального проводника. Это могло быть следствием того, что в технологии ДД в глубоко расположенные стенки и дно вертикальных отверстий очень затруднено нанесение качественного барьерного и зародышевого слоев, поэтому повышается вероятность электромиграции по поверхности медного проводника, а смещение области интенсивного разрушения к границе с нижним горизонтальным проводником можно объяснить тем, что снизу вертикальный проводник на границе с горизонтальным проводником имеет сужение, что повышает в этой области плотность тока, а отсутствие на границе с верхним горизонтальным проводником барьерного слоя и его наличие на границе с нижним горизонтальным проводником способствует диффузии вакансий из верхнего горизонтального проводника к границе вертикального проводника с нижним горизонтальным проводником. На Фиг.3В разрушение началось на границе между верхней областью вертикального проводника и верхним горизонтальным проводником. В этой области по техпроцессу ДД формирование барьерного слоя не предусмотрено. То, что в этом случае разрушение не пошло внутрь вертикального проводника можно объяснить тем, что вертикальный проводник на границе с верхним горизонтальным проводником не имеет области расширения, как на Фиг.3А, 3Б и 3Г и здесь начинается область повышенной плотности тока, а поступление вакансий из вертикального проводника к верхней границе незначительное из-за незначительности объема вертикального проводника.

Необходимость учета всех этих тонкостей отпала бы, при наличии между вертикальным и верхним горизонтальным проводниками барьерного слоя. Тогда электромиграция внутри вертикального проводника стала бы мало вероятной. Как правило разрушаются участки горизонтальных проводников, расположенные над вертикальным проводником и под вертикальным проводниками. Объясняется это тем, что разрушение начинается, во-первых, в тех участках проводников где имеется резкий градиент плотности тока, а, во-вторых, с той стороны границы скачка плотности тока, куда могут быстрее всего достигнуть вакансии из кристаллической решетки медного проводника, образующиеся в процессе его рекристаллизации, а это области вертикального проводника обращенные к горизонтальным проводникам, т.к. горизонтальные проводники имеют значительно больший объем, чем вертикальные проводники и соответственно большее количество вакансий. Электромиграционные отказы в ДД медных горизонтальных проводниках в основном возникают из-за диффузии ионов меди по верхней поверхности медного проводника на границе с диэлектрическим барьерным слоем. В работе [4] показано, что энергия активации процесса электромиграции при наличии границы медного проводника с барьерными диэлектрическими слоями составляет около 1 эВ. Если медь граничит с TaN/Ta, а это боковые стенки вертикальных проводников, эта величина увеличивается до 1,4 эВ. Наилучшие результаты (энергия активации электромиграции составляет 2,4 эВ) получены при использовании в качестве крышки над медным проводником сплава CoWP. Существует мнение, что с уменьшением шага проводников барьерные слои на основе Та необходимо будет заменить на другие материалы. В частности рассматриваются барьерные слои на основе кобальта [5]. В то же время выяснено, что Со может диффундировать в Си и увеличить его удельное сопротивление примерно на 8%. Однако при определенных режимах термообработок этого можно избежать, поэтому это не препятствует продолжающемуся обсуждению в технической литературе использования пленок кобальта и сплава CoWP, как барьерного материала в перспективных разработках. В качестве перспективного материала рассматривается также и RuTa [6]. Но проблема в том, что в техпроцессе ДД трудно осуществить локальное нанесение этих перспективных материалов на верхнюю поверхность горизонтальных проводников. Следующим фактором, могущим оказать влияние на недостаточную устойчивость медных проводников к электромиграционному разрушению, является способ заполнения канавок и отверстий в слое диэлектрика медью. По техпроцессу ДД медная пленка электрохимическим методом выращивается на противоположных стенках траншей и отверстий в диэлектрике до их взаимного соприкосновения в центральной части траншей или вертикальных отверстий и таким образом полного заполнения траншей и отверстий. В процессе ДД по центру горизонтального и вертикального проводников будет присутствовать высоко дефектная область. Используемый в настоящее время способ «супер заполнения», когда введением в электролит специальных добавок увеличивается скорость осаждения меди в нижних углах траншей и вертикальных отверстий, не позволяет полностью решить эту проблему. Уменьшение сопротивления горизонтальных проводников за счет увеличения их высоты позволяет уменьшить электрическую мощность потребляемую микросхемой, облегчает решение проблем перегрева микросхемы, эффективно влияет на увеличение времени работы проводников до отказа. В то же время повышение h приводит к увеличению емкости С внутриуровневого диэлектрика в системе межсоединений, особенно между близко расположенными проводниками одного уровня, приводя к увеличению времени задержки сигнала в системе межсоединений τ, поскольку τ≈RC. Следовательно, чтобы с уменьшением ширины проводников и зазоров между ними не увеличивалась задержка сигнала τ и не уменьшалось время наработки проводников до отказа, необходимо изыскать условия формирования медных проводников с более совершенной кристаллической структурой, чтобы уменьшить рассеяние электронов внутри объема проводника, изыскать способы уменьшения толщины и сопротивления барьерных слоев, а также способы формирования внутриуровневого диэлектрика с ультранизкой диэлектрической постоянной k.

3. На задержку сигнала в системе межсоединений в основном оказывает влияние диэлектрическая постоянная слоя между близко расположенными проводниками одного уровня, т.е. внутриуровневая изоляция. Введением в диоксид кремния фтора удалось снизить диэлектрическую постоянную изолирующего слоя до k=3.5-3,6. Введение углерода позволило создать изолирующие слои с k=2.9-3,1. Дальнейшее уменьшение k было достигнуто использованием пористого диэлектрика или «воздушного» зазора. Получение таких пленок достаточно хорошо исследовано. Подробный обзор материалов и процессов формирования диэлектрических пленок с низким и ультранизким значением диэлектрической постоянной приводится в работе [7], однако в технологическом процессе ДД при их использовании возникают большие проблемы. Основная проблема при этом заключается в том, что канавки для формирования горизонтальных проводников приходится вытравливать в пористом диэлектрике и далее пористые стенки канавок покрывать металлическим барьерным и зародышевым слоями. Чтобы исключить в процессе нанесения барьерного слоя проникновение сквозь узкую пористую перегородку между проводниками высокоэнергетичных атомов барьерного металла, поверхностные поры специальными приемами приходится герметизировать, т.е. заполнить поры плотным диэлектриком, но это увеличивает эффективное значение диэлектрической постоянной к внутриуровневой изоляции и усложняется техпроцесс. Радикально эта проблема до сих пор еще не решена, причем с уменьшением ширины зазоров между проводниками решение этой проблемы будет постоянно усложняться.

В противоположность процессу ДД в предлагаемом нами маршруте процесс селективного травления пористого диэлектрика вообще отсутствует. Эта идея вначале была использована в патенте РФ №2420827 [8], который взят нами на прототип.

В нем для формирования медных проводников используется метод последовательного локального электрохимического осаждения меди («снизу вверх»), как для формирования горизонтальных, так и для вертикальных проводников с частичной интеграцией отдельных операций. Далее одновременно удаляются вспомогательные маски для локального осаждения горизонтальных и вертикальных медных проводников, наносится защитная барьерная пленка на поверхность и боковые стенки горизонтальных и вертикальных проводников и удаляется многослойная металлическая пленка у основания между горизонтальными проводниками. Далее формируются пористый внутриуровневый и межуровневый диэлектрики. Поскольку горизонтальный и вертикальный проводники уже изготовлены, операция селективного травления пористого диэлектрика здесь исключается.

Однако у прототипа есть недостаток. После формирования вертикальных проводников и удаления вспомогательных масок вертикальный проводник оказывается закрепленным к поверхности горизонтального проводника в процессе нескольких последующих операций только своим основанием, что делает вполне реальным его облом или изменение формы. В патенте РФ №2486632 [9] с целью решения этой проблемы нами был предложен маршрут изготовления, в котором вертикальный проводник в зависимости от конкретной топологии при последующих операциях дополнительно закреплялся одной, двумя или тремя стенками к окружающим элементам конструкции многоуровневой металлизации. Этот процесс позволял также использовать маску для формирования горизонтального проводника как твердую маску для самосовмещаемого формирования вертикального проводника с максимально возможной площадью его сечения. Однако это привело к дополнительному существенному увеличению аспектного соотношения формируемого рельефа поверхности пластины и к усложнению технологического процесса.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в отсутствии интегрированных технологических операций, а также повышения механической прочности проводников за счет того что медный проводник находится внутри плотного диэлектрика.

Поставленная задача решается в способе изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС многократным повторением процессов изготовления типовых структур состоящих из медных горизонтальных и вертикальных проводников и окружающих их диэлектрических слоев с низким значением эффективной диэлектрической постоянной, включающий процессы нанесения на полупроводниковую пластину металлических слоев, фотолитографию, локальное электрохимическое нанесение меди и защитных слоев на ее поверхность, отличающийся тем, что процесс изготовления включает три последовательно выполняемых этапов: изготовление горизонтальных медных проводников, включающее следующую последовательность основных технологических операций: нанесение на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой слоем диэлектрика и выходящими на ее поверхность вертикальными проводниками от нижерасположенных фрагментов интегральной микросхемы, металлической пленки обладающей барьерными, и зародышевыми свойствами (БЗС), формирование временной маски (ВМ) с рисунком горизонтальных проводников, вскрытых до зародышевой поверхности, электрохимическое локальное нанесение слоя меди, термообработка медных проводников, удаление ВМ, нанесение на боковые и верхние поверхности медных проводников барьерного слоя (БС2), удаление электропроводящих пленок у основания между медными проводниками, изготовление внутриуровневой пористой диэлектрической изоляции с ультранизким значением диэлектрической постоянной и изготовление межуровневой изоляции из плотного диэлектрика, включающее следующую последовательность основных технологических операций: нанесение планаризующим методом диэлектрической пленки с порообразующими компонентами, открытое безмасочное плазменное стравливание диэлектрической пленки с порообразующими компонентами до поверхности проводников, нанесение барьерного диэлектрического слоя, нанесение плотного диэлектрического слоя с низким значением диэлектрической постоянной, нанесение барьерного диэлектрического слоя, изготовление вертикальных медных проводников, включающее следующую последовательностей технологических операций: фотолитография для формирования вертикальных отверстий и селективное травление вертикальных отверстий в многослойной пленке межуровневой изоляции, формирование на поверхности пластины, на боковых стенках и на дне вертикальных отверстий металлического барьерного и зародышевого слоя (БЗС2), заполнение вертикальных отверстий металлом.

При этом в качестве материала при изготовлении металлических барьерных и зародышевых слоев БЗС1 и БЗС2 могут использоваться слои TaN/Ta/Co, Co/CoWP, RuTa, Ta/Ni, а в качестве БС2 могут использоваться слои Та, TaN, Со, RuTa, PdTa, CoWP, или их сочетания; толщины металлических барьерных и зародышевых слоев убывают в следующей последовательности БЗС1, БС2, БЗС2 и варьируются в диапазоне 2÷100 нм.

В качестве временной маски для локального выращивания горизонтального медного проводника могут использоваться фоторезистивный слой, который может иметь и антиотражающий подслой, с проявленным или вытравленным до зародышевого слоя рисунком горизонтальных проводников, диэлектрические слои с вытравленным до зародышевого слоя рисунком горизонтальных проводников, которые могут быть удалены селективно к медному проводнику. Фоторезистивная маска используемая как временная маска для локального осаждения медных проводников после проявления подвергается термообработке и ультрафиолетовому облучению. Для нанесения на боковую и верхнюю поверхность медных проводников металлического барьерного слоя БС2, а также при формировании БЗС2, используется метод магнетронного распыления с одновременным частичным обратным распылением конденсирующейся пленки за счет подачи на пластину отрицательного напряжения. Для нанесения на боковую и верхнюю поверхности медных проводников металлических барьерных слоев БС2 используется метод нанесения химическим восстановлением. Для нанесения на боковую, нижнюю и верхнюю поверхности медных проводников БЗС1, БЗС2 и БС2 используется метод атомарного слоевого осаждения (АСО) или плазмоактивированное атомарное слоевое осаждение (ПАСО). Для полного заполнения порообразующим материалом промежутков между медными близко расположенными проводниками используется планаризующее нанесение диэлектрического слоя содержащего порообразующие компоненты на центрифуге из жидкой фазы (химического нанесения из раствора). Для формирования диэлектрического слоя с порообразующими компонентами между медными проводниками используется комбинация двух методов: вначале наносится тонкий диэлектрический слой из газовой фазы, например, методом АСО или ПАСО, далее для полного заполнения порообразующим материалом промежутков между медными близко расположенными проводниками используется планаризующее нанесение диэлектрического слоя содержащего порообразующие компоненты на центрифуге из жидкой фазы (метод химического нанесения из раствора). Для заполнения металлом вертикальных отверстий в многослойном диэлектрике, используется следующая последовательность технологических операций: нанесение пленки БЗС2, включающего нанесение металлического барьерного слоя типа Та, TaN, TaN/Ta, нанесение зародышевого слоя типа Со, RuTa, PdTa, CoWP, которые одновременно могут совмещать и барьерные свойства, электрохимическое или методом химического восстановления осаждение меди до полного заполнения вертикальных отверстий, далее слой меди и БЗС2 с поверхности пластины удаляются методом химико-механической полировки. Для заполнения металлом вертикальных отверстий в многослойном диэлектрике, используется следующая последовательность технологических операций: нанесение металлического адгезионного барьерного слоя типа TiN и далее конформным, газофазным методом заполнение вертикальных отверстий вольфрамом и методом ХМП удаление с поверхности пластины слоев вольфрама и барьерного слоя.

После всех операций электрохимического нанесения металлических слоев пластины подвергаются термической обработке при температурах в пределах 100÷400°C.

Тонкий диэлектрический слой формируемый газофазным методом или методами АСО или ПАСО имеет толщину в диапазоне 2÷50 нм.

Указанная совокупность отличительных признаков позволяет достичь технического результата, заключающегося в отсутствии интегрированных технологических операций, а также повышения механической прочности проводников за счет того что медный проводник находится внутри плотного диэлектрика.

Таким образом, предлагаемый способ может решить следующие основные проблемы технологии многоуровневой металлизации:

Использование предлагаемого изобретения позволяет проводить процесс локального электрохимического осаждения меди с БЗС1 под проводниками и БС1 над проводниками, при формировании горизонтальных проводников разделяет их от вертикальных проводников барьерными слоями и позволяет сразу после электрохимического осаждения получить текстурированную кристаллическую структуру медных проводников, что позволяет в процессе термической рекристаллизации получить более совершенную кристаллическую структуру медных проводников и создает условия для снижения объемного электрического сопротивления с уменьшением ширины проводников и исключить взаимный обмен дефектами кристаллической структуры между горизонтальными и вертикальными проводниками, как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации микросхем. При этом появляется возможность уменьшить ассортимент добавок в электролит для осаждения меди, т.к. нет необходимости создавать условия для «суперзаполнения» с целью исключения возможности формирования в горизонтальных медных проводниках пустот. Очень значительно сокращается расход меди. Появляется возможность исключить очень сложную и дефектообразующую операцию ХМП (химико-механическую полировку) меди или значительно уменьшить толщину меди удаляемой при ХМП, исключаются также операции травления канавок в пористом диэлектрике и необходимость герметизации пор после травления пористого диэлектрика, а также отсутствуют операции нанесения барьерного и зародышевого слоев на стенки траншей в пористом диэлектрике. В целом это может значительно упростить процесс изготовления медной металлизации и создать условия для улучшения качества изделий.

Источники информации

[1]. W. Wu, P. Leunissen, Н. Costermans, К. Маех, G. Alers IMEC, Novellus Systems Inc. - «Impact of Line Edge Roughness on Resistivity of Narrow Copper Interconnect Lines».

[2]. «Self-annealing characterization of electroplated copper films», Microelectronic Engineering 50 (2000) 449-45), S. Lagrange et al.Microelectronic Engineering 50 (2000) 449-457.

[3]. Glenn Aler, «45nm Reliability Issues», Integration Group Novellus Systems, Alers-AMC 2004.

[4]. C.-K. Hu, Gignac and R. Rosenberg, - Electromigration of Cu/Low dielectric constant Interconnects, Appl. Phys. Lett., 84, 4986 (2004).

[5]. Peter Singer, «The Advantages of Capping Copper With Cobalt», Semiconductor International, 10/01/2005.

[6]. Semiconductor International, 26/08/2009.

[7]. К. Маех, M.R. Baklanov, D. Shamiryan and F. Lacopi, S.H. Brongersma, Z.S. Yanovitskaya, «Low dielectric constant materials for microelectronics)), J. Appl. Phys., Vol.93, No. 11,1 June 2003.

[8]. Патент RU №2420827 C1. Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС. Красников Г.Я., Валеев А.С, Шелепин Н.А., Гущин О.П., Воротилов К.А., Васильев В.А., Аверкин С.Н. Заявлено 11.01.2010, опубликовано 10.06.2011 - прототип.

[9].Патент RU №2486632 С2. Способ изготовления усовершенствованной многоуровневой медной металлизации с применением диэлектриков с очень низкой диэлектрической постоянной (ultra low-k). Красников Г.Я., Валеев А.С, Гвоздев В.А. Заявлено 20.07.2011, опубликовано 27.06.2013.

Краткое описание чертежей

Фиг.1а. Влияние ширины канавки на удельное сопротивление медных проводников у различных производителей СБИС.

Фиг.1б. Влияние толщины барьерного слоя на эффективное значение удельного сопротивления медных проводников у различных производителей СБИС.

Фиг.1в. Увеличение высоты медных проводников снижает влияние ширины медных проводников на увеличение их удельного сопротивления.

Фиг.2. Непосредственно после электрохимического осаждения поверхностное сопротивление пленки меди толщиной 1 мм начинает уменьшаться.

Фиг.3. Различные возможные места отказов металлизации из-за электромиграции.

Фиг.4.1. Первый этап. Изготовление горизонтальных проводников нижнего уровня металлизации. На кремниевую пластину, покрытую диэлектрическим слоем ИД(3), с выходящими на ее поверхность вертикальными проводниками от элементов СБИС, нанесены металлические барьерный (2) и зародышевый слой (1). Над зародышевым слоем может присутствовать промежуточный слой П.

Фиг.4.2. Сформирована маска (5) из фоторезиста или другого материала для локального электрохимического выращивания горизонтальных медных проводников в зазорах (4).

Фиг.4.3. Локальным электрохимическим осаждением сформированы горизонтальные медные проводники (7), удалена маска (5). Медные проводники термообработаны и покрыты металлической барьерной защитной пленкой (6).

Фиг.4.4. Плазменным травлением удалена многослойная металлическая пленка у основания проводников.

Фиг.4.5. Второй этап. Изготовление внутриуровневой изоляции с ультра низким значением диэлектрической постоянной и планаризованной плотной межуровневой изоляции с низким значением диэлектрической постоянной Планаризующим методом на поверхности пластины сформирована пористая диэлектрическая пленка (8) с ультра низким значением диэлектрической постоянной.

Фиг.4.6. Открытым плазменным травлением пористая пленка с поверхности проводников удалена. Нанесена барьерная диэлектрическая пленка (8а).

Фиг.4.7. Нанесена плотная диэлектрическая пленка (9), выполнена планаризация методом ХМП, нанесена барьерная диэлектрическая пленка (9а).

Фиг.4.8. Третий этап. Изготовление вертикальных проводников Вскрыты отверстия для вертикальных проводников, поверхности пластины и вертикальных отверстий покрыты металлическими барьерным (10) и зародышевым (11) слоями.

Фиг.4.9. На поверхность пластины, включая и внутренние объемы вертикальных отверстий электрохимическим методом заполнены медью. С поверхности пластины пленка меди (12) и барьерный слой удалены методом ХМП.

Фиг.5а. Показаны фоторезистивная маска, включающая антиотражающий слой BARC, защитный слой TiN вытравленный до поверхности зародышевого слоя из Со.

Фиг.5б. Разделительная часть маски имеет ширину 90-100 нм и позволяет электрохимически локально выращивать медные проводники любой толщины в пределах высоты маски. На данном образце поверх медного проводника локальным электрохимическим способом нанесена барьерная пленка БС2 из CoWP. Общая высота металлического проводника оказалась несколько толще высоты маски, поэтому барьерный слой начал частично заполнять поверхность маски.

Фиг.5в. В слое SiO₂ над слоями Ta/Ni электронно-лучевой литографией сформирована маска и вытравлена канавка шириной примерно 60 нм до поверхности Ni (все выполнено в Физико-технологическом институте Российской академии наук) и локально электрохимическим методом выращен медный проводник.

Фиг.6. Снимок на РЭМ показывает существенную разницу степени планаризации зазоров между проводниками.

Изобретение относится к технологии изготовления многоуровневой металлизации сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС многократным повторением процессов изготовления типовых структур, состоящих из медных горизонтальных и вертикальных проводников и окружающих их диэлектрических слоев с низким значением эффективной диэлектрической постоянной, включает нанесение на полупроводниковую пластину металлических слоев, фотолитографию, локальное электрохимическое нанесение меди и защитных слоев на ее поверхность. Процесс изготовления включает три последовательно выполняемых этапа: изготовление горизонтальных медных проводников, изготовление внутриуровневой пористой диэлектрической изоляции с ультранизким значением диэлектрической постоянной и межуровневой изоляции из плотного диэлектрика и изготовление вертикальных медных проводников. Изобретение обеспечивает отсутствие интегрированных технологических операций, а также повышение механической прочности проводников за счет того, что медный проводник находится внутри плотного диэлектрика. 13 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС многократным повторением процессов изготовления типовых структур, состоящих из медных горизонтальных и вертикальных проводников и окружающих их диэлектрических слоев с низким значением эффективной диэлектрической постоянной, включающий процессы нанесения на полупроводниковую пластину металлических слоев, фотолитографию, локальное электрохимическое нанесение меди и защитных слоев на ее поверхность, отличающийся тем, что процесс изготовления включает три последовательно выполняемых этапа: изготовление горизонтальных медных проводников, включающее следующую последовательность основных технологических операций: нанесение на поверхность полупроводниковой пластины, покрытой слоем диэлектрика и выходящими на ее поверхность вертикальными проводниками от нижерасположенных фрагментов интегральной микросхемы, металлической пленки, обладающей барьерными и зародышевыми свойствами (БЗС), формирование временной маски (ВМ) с рисунком горизонтальных проводников, вскрытых до зародышевой поверхности, электрохимическое локальное нанесение слоя меди, термообработка медных проводников, удаление ВМ, нанесение на боковые и верхние поверхности медных проводников барьерного слоя (БС2), удаление электропроводящих пленок у основания между медными проводниками, изготовление внутриуровневой пористой диэлектрической изоляции с ультранизким значением диэлектрической постоянной и изготовление межуровневой изоляции из плотного диэлектрика, включающее следующую последовательность основных технологических операций: нанесение планаризующим методом диэлектрической пленки с порообразующими компонентами, открытое безмасочное плазменное стравливание диэлектрической пленки с порообразующими компонентами до поверхности проводников, нанесение барьерного диэлектрического слоя, нанесение плотного диэлектрического слоя с низким значением диэлектрической постоянной, нанесение барьерного диэлектрического слоя, изготовление вертикальных медных проводников, включающее следующую последовательностей технологических операций: фотолитография для формирования вертикальных отверстий и селективное травление вертикальных отверстий в многослойной пленке межуровневой изоляции, формирование на поверхности пластины, на боковых стенках и на дне вертикальных отверстий металлического барьерного и зародышевого слоя (БЗС2), заполнение вертикальных отверстий металлом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве металлических барьерных и зародышевых слоев БЗС1 и БЗС2 могут использоваться слои TaN/Ta/Co, Co/CoWP, RuTa, Ta/Ni, а в качестве БС2 могут использоваться слои Та, TaN, Со, RuTa, PdTa, CoWP или их сочетания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщины металлических барьерных и зародышевых слоев убывают в следующей последовательности БЗС1, БС2, БЗС2 и варьируются в диапазоне 2÷100 нм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве временной маски для локального выращивания горизонтального медного проводника могут использоваться фоторезистивный слой, который может иметь и антиотражающий подслой, с проявленным или вытравленным до зародышевого слоя рисунком горизонтальных проводников, диэлектрические слои с вытравленным до зародышевого слоя рисунком горизонтальных проводников, которые могут быть удалены селективно к медному проводнику.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что фоторезистивная маска, используемая как временная маска для локального осаждения медных проводников, после проявления подвергается термообработке и ультрафиолетовому облучению.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения на боковую и верхнюю поверхность медных проводников металлического барьерного слоя БС2, а также при формировании БЗС2 используется метод магнетронного распыления с одновременным частичным обратным распылением конденсирующейся пленки за счет подачи на пластину отрицательного напряжения.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения на боковую и верхнюю поверхности медных проводников металлических барьерных слоев БС2 используется метод нанесения химическим восстановлением.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для нанесения на боковую, нижнюю и верхнюю поверхности медных проводников БЗС1, БЗС2 и БС2 используется метод атомарного слоевого осаждения (АСО) или плазмоактивированное атомарное слоевое осаждение (ПАСО).

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что для полного заполнения порообразующим материалом промежутков между медными близко расположенными проводниками используется планаризующее нанесение диэлектрического слоя, содержащего порообразующие компоненты, на центрифуге из жидкой фазы (химического нанесения из раствора).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования диэлектрического слоя с порообразующими компонентами между медными проводниками используется комбинация двух методов: вначале наносится тонкий диэлектрический слой из газовой фазы, например, методом АСО или ПАСО, далее для полного заполнения порообразующим материалом промежутков между медными близко расположенными проводниками используется планаризующее нанесение диэлектрического слоя, содержащего порообразующие компоненты, на центрифуге из жидкой фазы (метод химического нанесения из раствора).

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что для заполнения металлом вертикальных отверстий в многослойном диэлектрике используется следующая последовательность технологических операций: нанесение пленки БЗС2, включающего нанесение металлического барьерного слоя типа Та, TaN, TaN/Ta, нанесение зародышевого слоя типа Со, RuTa, PdTa, CoWP, которые одновременно могут совмещать и барьерные свойства, электрохимическое или методом химического восстановления осаждение меди до полного заполнения вертикальных отверстий, далее слой меди и БЗС2 с поверхности пластины удаляются методом химико-механической полировки.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что для заполнения металлом вертикальных отверстий в многослойном диэлектрике используется следующая последовательность технологических операций: нанесение металлического адгезионного барьерного слоя типа TiN и далее конформным, газофазным методом заполнение вертикальных отверстий вольфрамом и методом ХМП удаление с поверхности пластины слоев вольфрама и барьерного слоя.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что после всех операций электрохимического нанесения металлических слоев пластины подвергаются термической обработке при температурах в пределах 100÷400°C.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что тонкий диэлектрический слой, формируемый газофазным методом или методами АСО или ПАСО, имеет толщину в диапазоне 2÷50 нм.