СПОСОБ ПЛАНАРИЗАЦИИ ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЛОЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ В ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ Советский патент 1998 года по МПК H01L21/324 

Изобретение относится к технологии производства интегральных схем (ИС), в частности к способу планаризации изолирующего диэлектрического слоя в ИС при формировании многоуровневой металлизации ИС.

Известен способ планаризации изолирующего диэлектрического слоя, при котором на поверхность ИС с металлизацией наносят диэлектрический слой оксида кремния SiO₂, затем методом центрифугирования наносят пленкообразующий раствор и путем его отжига образуют пленкообразующий слой диоксида кремния.

Недостатком этого способа является невысокое качество образованного изолирующего слоя из-за возможного растрескивания и отслаивания планаризирующего слоя в больших интегральных схемах (БИС) со сложным топологическим рельефом, его невысоких диэлектрических характеристик и плохой адгезии к нему алюминия.

Известен способ планаризации изолирующего диэлектрического слоя, при котором на поверхность ИС с металлизацией наносят первый диэлектрический слой, затем методом центрифугирования наносят пленкообразующий раствор и путем его отжига образуют планаризующий слой диоксида кремния, поверхность этого слоя подвергают неселективному травлению до вскрытия поверхности металлизации, а затем наносят второй диэлектрический слой.

Недостатком этого способа является ухудшение качества изолирующего диэлектрического слоя из возможного растрескивания и отслаивания планаризующего слоя в БИС со сложным топологическим рельефом, а также длительность процесса травления и сложность определения момента окончания травления.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ планаризации изолирующего диэлектрического слоя ИС, заключающийся в том, что на поверхность ИС с металлизацией наносят плазмохимическим методом первый диэлектрический слой диоксида кремния, затем наносят пленкообразующий спиртовой раствор тетраэтоксисилана и путем его отжига при нагревании со стороны подложки образуют планаризующий слой диоксида кремния, поверхность этого слоя подвергают неселективному травлению, а затем наносят второй диэлектрический слой.

Однако при планаризации изолирующего диэлектрического слоя в БИС со сложным топологическим рельефом при проведении отжига планаризующего слоя, полученного из пленкообразующего раствора, возможно растрескивание этого слоя, а при травлении поверхности планаризующего слоя происходит его отслаивание на участках с длинными металлическими дорожками и на межкристалльных дорожках. Это приводит к ухудшению качества изолирующего слоя и нарушению целостности верхнего уровня металлизации. Были проведены исследования по планаризации изолирующего диэлектрического слоя БИС. На поверхность БИС методом плазмохимического осаждения при 250^oC был нанесен слой диоксида кремния толщиной 0,5-0,6 мкм. При этом сложность топологического рельефа усиливается из-за неконформного воспроизведения рельефа подложки. При отжиге пленкообразующего раствора, нанесенного на поверхность БИС с таким сложным топологическим рельефом, возникает растрескивание планаризующего слоя в участках с малыми зазорами между проводниками. Выбранные БИС характеризуются также большими геометрическими размерами и наличием длинных проводящих дорожек. На участках БИС с длинными проводящими дорожками и на межкристалльных дорожках при отжиге и травлении планаризующего слоя возникают напряжения, приводящие к его отслаиванию из-за недостаточной адгезии этого слоя.

Целью способа является повышение качества планаризации за счет устранения растрескивания и отслаивания при отжиге и травлении планаризующего слоя диоксида кремния.

Поставленная цель достигается тем, что в способе планаризации изолирующего диэлектрического слоя ИС, заключающемся в том, что на поверхность ИС с металлизацией наносят первый диэлектрический слой, затем наносят пленкообразующий раствор, дополнительно нагревая при этом подложку до 40-60^oC, после чего путем отжига при нагревании со стороны подложки со скоростью не более 03^oC/мин образуют планаризующий слой диоксида кремния, поверхность этого слоя подвергают неселективному травлению, а затем наносят второй диэлектрический слой.

Пример. Способ осуществляют на ИС с высокой степенью интеграции. ИС имеют сложный топологический рельеф, образованный системой металлизации алюминий-кремний Al-Si. Характерные топологические размеры рельефа для ИС типа А, мкм:
Высота проводника - 0,8
Ширина проводника - 3
Расстояние между проводниками - 3-5
Высота проводника - 0,6
Ширина проводника - 2-3
Расстояние между проводниками - 1,5-2
На поверхность ИС методом плазмохимического осаждения при 250^oC наносят слой диоксида кремния толщиной 0,5-0,6 мкм. Затем пластины очищают в диметилформамиде. После этого поверхность диэлектрического слоя подвергают ионному травлению в аргоновой плазме или плазмохимическому травлению в C₃F₈. При этом удаляется 0,01 мкм диоксида кремния. Увеличение адгезии планаризующего слоя, получаемого из пленкообразующего спиртового раствора тетраэтоксисилана, после проведения травления в плазме связано не только с очисткой поверхности от загрязнений, но и с тем, что на поверхности происходят образование микронеровностей и увеличение эффективной поверхности сцепления, а также активация химических связей поверхностных атомов, через которые происходит формирование адгезионных связей с молекулами пленкообразующего раствора. Пленкообразующий раствор, представляющий собой спиртовой раствор тетраэтоксисилана (молекулярная концентрация тетраэтоксисилана 0,8 моль/л), наносят методом центрифугирования. Скорость вращения центрифуги 200 об/мин.

Для получения бездефектного планаризующего слоя нанесение пленкообразующего раствора необходимо проводить при температурах подложки 40-60^oC. При меньших температурах подложки не обеспечивается необходимый градиент температур и растрескивание и отслаивание происходят при последующем отжиге. При более высоких температурах, из-за высокой скорости испарения растворителя, увеличивается толщина пленки, что вызывает ее растрескивание, а также неравномерность пленки по толщине.

Отжиг до 150^oC для полного удаления растворителя осуществляют на плитке, что обеспечивает создание необходимого градиента температур в планаризующем слое в процессе отжига. Установлено, что скорость нарастания температуры в процессе отжига должна составлять не более 0,3^oC/мин. До таких скоростей обеспечивается квазистационарный режим удаления паров растворителя через микропоры в планаризующем слое. Отжиг со скоростями нагрева, меньшими чем 0,2^oC/мин, например 0,1^oC/мин, не приводит к дальнейшему улучшению качества планаризующего слоя и не является целесообразным из-за увеличения времени технологической операции и технических трудностей поддержания столь малых скоростей нагрева. При отжиге со скоростью нагрева 0,4^oC/мин наблюдается образование отдельных трещин в участках с малыми зазорами между проводниками. Таким образом, оптимальным является отжиг со скоростью нагрева 0,2-0,3^oC/мин.

Сформированный планаризующий слой подвергают неселективному, например плазмохимическому, травлению в плазме C₃F₈. При этом соотношение скоростей травления планаризующего слоя и первого диэлектрического слоя составляло 1,1-1,0 (скорость травления планаризующего слоя 210±20 , скорость травления диоксида кремния, полученного плазмохимическим осаждением, 180±20 . Процесс травления прекращают в момент окончания травления пленки на спутнике, изготовленном на кремниевой пластине без топологического рельефа. При этом планаризующий слой удаляют с поверхности первого диэлектрического слоя над проводниками и оставляют лишь в участках с малыми зазорами между проводниками.

После этого методом плазмохимического осаждения при 250^oC наносят второй слой диоксида кремния толщиной 0,5 мкм. На сформированный таким образом изолирующий диэлектрический слой наносят второй уровень алюминиевой металлизации.

Использование предлагаемого способа планаризации изолирующего слоя многоуровневой металлизации по сравнению с прототипом позволяет исключить растрескивание и отслаивание планаризующего слоя и тем самым повысить процент выхода годных изделий при производстве интегральных схем высокой степени интеграции за счет предотвращения обрыва проводящих дорожек верхнего слоя металлизации.

Одновременно увеличивается надежность ИС, так как улучшается равномерность по толщине верхнего слоя металлизации, что приводит к более равномерному распределению плотности протекающего тока и уменьшает вероятность обрыва проводящих дорожек в результате электромиграции.

Экономический эффект может быть получен при использовании способа благодаря увеличению процента выхода годных изделий и может быть рассчитан для конкретных ИС.

Патент Японии N 62-81732, кл. H 01 L 21/88, 1985.

Патент США N 4676867, кл. C 03 C 15/00, 1986.

Использование: изобретение относится к технологи производства интегральных схем (ИС), в частности к технологии изготовления многоуровневой металлизации в ИС. Сущность изобретения: в способе на поверхность ИС с металлизацией наносят первый диэлектрический слой диоксида кремния. Затем наносят пленкообразующий раствор и путем его отжига при нагревании со стороны подложки образуют планаризующий слой диоксида кремния. Поверхность этого слоя подвергают неселективному травлению, а затем наносят второй диэлектрический слой. Новым в способе является нанесение пленкообразующего раствора при температуре подложки 40-60^oC и отжиг при нагревании со скоростью 0,2-0,3^oC/мин.

Способ планаризации изолирующего диэлектрического слоя многоуровневой металлизации в интегральных схемах, включающий нанесение плазмохимическим методом на поверхность интегральной схемы с металлизацией первого слоя диоксида кремния, последующее нанесение пленкообразующего спиртового раствора тетраэтоксисилана, отжиг при 100-150^oC при нагревании со стороны подложки с образованием планаризующего слоя диоксида кремния, плазмохимическое травление этого слоя, нанесение второго слоя диоксида кремния, отличающийся тем, что, с целью повышения качества планаризации за счет устранения растрескивания и отслаивания слоев диоксида кремния, нанесение пленкообразующего раствора производят при температуре подложки 40-60^oC, а отжиг проводят при нагревании со скоростью 0,2-0,3^oC/мин.