Металлизация

Назначение и требования к металлизации

На сегодняшний день стоимость формирования межсоединений составляет более 50 % стоимости изготовления всей пластины. Таким образом, формирование высоконадежных систем многослойной металлизации – это одна их приоритетных задач современной микроэлектроники. Число уровней металлизации на сегодняшний день достигает 8-9. Система металлизации представляет собой сложную систему планарных чередующихся металлических и диэлектрических слоев. Обычно такая система включает в себя несколько функционально различных металлических слоев: контактный, барьерный, локальные межсоединения, вертикальные проводники, высокопроводящий слой. К каждому из них предъявляются свои требования.

По мере уменьшения размеров элементов ИС задержки на межсоединениях, обычно определяемые как RCзадержки, становятся наиболее важным фактором, определяющим характеристики ИС. УменьшениеRCзадержек связано как с улучшением свойств используемых материалов и методов их формирования, так и с улучшением архитектуры межсоединений.

Обеспечить минимальные контактные сопротивления металла к n⁺-Si, р⁺-Si и поли-Si должны омические контакты. Контактные слои в системах металлизации используются для снижения поверхностного сопротивления областей затвора и исток/стока, контактного сопротивления к областям истока и стока, повышения качества и скорости работы прибора за счет сокращения RC задержек. К материалам контактных слоев предъявляются следующие требования: они должны обладать низким удельным сопротивлением, низким контактным сопротивлением к p- и n-областям, высокой термостабильностью, устойчивостью к электромиграции и т. д. В значительной степени этим требованиям удовлетворяют силициды металлов. В современных ИС в качестве омических контактов обычно используются слои силицидов TiSi₂ и CoSi₂, NiSi.

Барьерные слои служат препятствием к межслойному взаимодействию и диффузии материала из верхних проводящих слоев в кремний. Основные требования, которые к ним предъявляются, это малые значения коэффициента диффузии металлов и кремния через барьерный слой и отсутствие химического взаимодействия с материалами окружающих слоев. Обычно это сплавы тугоплавких металлов и их нитриды, Ti:W, TiN. Однако с внедрением в качестве материала проводящего слоя меди возникла необходимость в поиске новых материалов для барьерных слоев. Поэтому началось активное исследование нового класса материалов – тройных аморфных сплавов типа ТМ-Si-N, где ТМ – тугоплавкий металл. Зачастую осаждение барьерного слоя в контактном окне должно быть конформным. Для создания барьерных слоев наиболее часто используются следующие методы: газофазное осаждение, магнетронное распыление с коллимированным осаждением, ионно-активированное осаждение.

В качестве материала высокопроводящих горизонтальных проводников широко используются сплавы на основе Al (обычно Al с добавкой менее 1 % Cu), отделенные слоями Ti/TiN/Ti или Ti/TiN. Эти проводники, расположенные на различных уровнях, соединяются между собой вертикальными проводниками Ti/TiN/W. Отметим, что слои Ti/TiN используются одновременно как диффузионные барьеры и адгезионные слои, а также как шунтирующие части соединений для обеспечения повышенного сопротивления к электромиграции горизонтальных проводников. Верхние слои Ti/TiN также служат в качестве просветляющих покрытий для литографии. Значение эффективного удельного сопротивления такой схемы межсоединения лежит в интервале 4 – 4.5 мкОм*см. Уменьшить значение удельного сопротивления до ~ 2 мкОм*см можно за счет использования меди в качестве материала горизонтальных и вертикальных проводников. Кроме того, медь обладает лучшим, чем алюминий, сопротивлением к электромиграции. Среди недостатков, присущих меди, можно отметить плохую адгезию на SiO₂ и полимерных диэлектриках, сильную коррозию на воздухе, большой коэффициентом диффузии в Si и во многих межслойных диэлектрика, включая SiO₂.

Замена Al металлизации на Cu металлизацию и SiO₂ c диэлектрической постоянной =3.9 на low-k диэлектрики с =1.3 – 1.6 позволяет значительно увеличить максимальную длину соединений, а значит повысить характеристики ИС без увеличения числа уровней металлизации, и тем самым уменьшить стоимости производства. Большей производительности можно добиться за счет лучшей архитектуры ИС, а в дальнейшем, если говорить о тенденциях развития ИС, за счет внедрения оптических соединений, высокотемпературных сверхпроводников или специальных методов, которые позволят использовать для нескольких каналов одно соединение.

Контактные слои для нанотехнологии

Одним из основных вопросов при формировании контактных слоев в настоящее время является уменьшение количества потребляемого из подложки кремния, которое вытекает из необходимости контактов к мелко залегающим p-n-переходам. В связи с этим в качестве возможного материала для контактных слоев ИС нанометрового диапазона широко рассматривается NiSi. Для формирование слоя NiSi требуется, например, на 20% меньше кремния, чем для формирования слоя CoSi₂. Основным препятствием на пути внедрения данного материала является его термическая нестабильность: при температуре >700^оС происходит переход низкоомной фазы NiSi в высокоомную NiSi₂. Поэтому не следует исключать возможность возвращения дисилицидов титана и кобальта в качестве материала контактных слоев. Эти материалы активно применяются в ИС нескольких поколений. Считается, что они имеют ряд недостатков, которые не позволяют их использовать для технологических норм <100 нм. В последнее время предпринимаются усилия, направленные на усовершенствование традиционных процессов формирования контактных слоев на основе дисилицидов титана и кобальта.

В первые годы появления многослойных систем металлизации в качестве материала контактных слоев использовался широкий спектр силицидов тугоплавких и полублагородных металлов. Однако наиболее перспективным материалом является TiSi₂, который обладает низким удельным сопротивлением в термодинамически стабильной фазе С54 (15 мкОм*см) и высокой термостабильностью. Для изготовления контактных слоев широкое распространение получил самосовмещенный силицидный, так называемый “салицидный”, процесс (рис. 1). Заключается он в следующем: на всю поверхность ИС напыляется металлическая пленка. После чего проводится первый (низкотемпературный) отжиг при температуре ~600-650^оС. При этом осажденный металл реагирует с поверхностью Si на затворе, истоке и стоке до образования силицидных пленок. Взаимодействия металла с SiO₂ при этих условиях не происходит. Затем проводится химическое жидкостное селективное травление металла на изоляторе относительно силицида на кремнии. Можно использовать следующие травители: NH₄OH : 30% H₂O₂ : H₂O в соотношении 1 : 1 : 5 при Т=40–60^оС, или H₂SO₄ : 30% H₂O₂ в соотношении 1 : 1 или 2 : 1 при Т=60–90^оС. После чего проводится второй (высокотемпературный) отжиг при температуре выше 800^оС, при котором происходит переход силицида в низкоомную фазу.

1. Осаждение металла	2. Первый (низкотемпературный ~600-650 oC) отжиг
3. Селективное травление Me на SiO2 относительно силицида на Si	4. Второй (высокотемпературный ~800-900 oC) отжиг

Рис. 1. Традиционный «салицидный» процесс формирования контактного слоя.

Когда кремний реагирует с титаном на затворе, истоке и стоке, он может диффундировать на область изолятора, формируя тонкие нити TiSi₂, которые могут электрически соединять электрод затвора с областями истока/стока, приводя к закороткам и в итоге к отказу прибора. Для предотвращения закороток отжиг обычно проводят в атмосфере азота. Азот быстро диффундирует по границам зерен и в значительной степени уменьшает диффузию кремния в слой титана. При проведении отжига пленки Ti на Si в среде азота формируется структура TiN/TiSi₂/Si.

Известно, что зарождение низкоомной фазы TiSi₂ С54 происходит на тройных границах зерен фазы TiSi₂ С49. Средний размер зерна фазы TiSi₂ С49 составляет 0.22 мкм. При ширине линий менее 0.5 мкм температура перехода фазы C49 в С54 превышает 800^оС из-за низкой плотности мест зарождения. При ширине линий 0.25 мкм температура перехода превышает 900^оС, при этом наблюдаются морфологические нестабильности, такие как агломерация и деградация контактного сопротивления прибора и управляющего тока. Для решения этой проблемы были разработаны модификации салицидного процесса: процесс с предварительной аморфизационной имплантацией (ПАИ) и процесс с использованием подслоя другого тугоплавкого металла. Преаморфизационная имплантация заключается в ионной бомбардировке As или In поверхностного слоя Si подложки толщиной ~30 нм перед осаждением титана. В лабораторных условиях процесс с ПАИ был выполнен для формирования контактов к p- и n-областям для технологических размеров 0.1 мкм. В промышленности процессы с ПАИ нашли применение для технологий 0.25 мкм. Основное влияние, которое оказывает ПАИ на процесс силицидообразования, связано с уменьшением размера зерна TiSi₂ С49 на аморфном кремнии до ~0.07 мкм, что приводит к увеличению количества мест зародышеобразования низкоомной фазы TiSi₂ С54. При этом правда, наблюдается увеличении скорости диффузии легирующей примеси по сравнению со стандартным салицидным процессом, что может приводить к деградации контактного сопротивления, последовательного сопротивления исток-сток и управляющего тока. Кроме того, значительно уменьшается технологическое окно на этапе второго отжига.

Тонкий подслой другого тугоплавкого металла приводит к тому, что происходит напрямую формирование низкоомной фазы TiSi₂ С54. При этом наблюдаются значительное увеличение сопротивления и понижение термостабильности силицида.

Таким образом, даже модифицированный салицидный процесс не позволил использовать тонкие пленки TiSi₂ в качестве контактных слоев для технологических норм производства <0.18 мкм.

Наиболее простым направлением при решении технологических проблем получения контактных слоев стала замена тугоплавкого металла на полублагородные металлы. Основное отличие процессов формирования пленок силицидов для этих двух групп металлов является то, что в паре тугоплавкий металл/кремний основными движущимися частицами являются атомы кремния. Результатом этого, в частности, стали непреодолимые проблемы закороток на спейсерах для размеров менее 0.18 мкм. Использование полублагородных металлов решает указанную проблему, поскольку в этом случае движущимися частицами являются атомы металла. Для ИС, изготовленных по технологии 0.18 мкм, в качестве материала контактных слоев широко используется CoSi₂, который обладает лучшей селективностью при травлении относительно SiO₂, меньшими механическими напряжениями, достаточно хорошей термической и химической стабильностью, не формирует высоко резистивных соединений с примесями и не растет на оксидных спейсерах. Кроме того, зарождение низкоомной фазы CoSi₂ происходит на границе раздела CoSi/Si. Таким образом, переход от фазы CoSi к низкоомной CoSi₂ не ограничивается размерами линии, что позволяет использовать данный материал в салицидном процессе получения контактных слоев. Однако, кобальт крайне чувствителен к присутствию остаточных примесей и особенно кислорода на поверхности кремниевых пластин. Для решения этой проблемы использовали: методику поверхностного роста, которая позволяет формировать высококачественные монокристаллические эпитаксиальные слои CoSi₂ “двойниковой” ориентации; высокотемпературное распыление Co на подложки Si(100) (Т_П 600^оС, скорость распыления Co0.02 нм/с); использование тонкого закрывающего слоя Ti, который предотвращает влияние кислорода во время отжига на процесс силицидообразования; промежуточный слой тугоплавкого металла, который способствует образованию тонкого равномерного по пластине слоя MeSi_xO_y на границе раздела Co/Si(100) на первом этапе отжига, обеспечивающего равномерную диффузию атомов Co через образовавшийся слой и, в результате, образование эпитаксиальной пленки CoSi₂. В качестве диффузионно-буферного слоя могут выступать тонкие слои SiO_x (x<2). Однако все эти модификации не позволяют решить проблему большого расхода кремния из подложки, что не позволяет изготавливать контакты к супермелкозалегающим p-n переходам. Кроме того, они требуют более высоких температур для формирования низкоомной фазы CoSi₂, что приводит к агломерации силицидных пленок и чрезмерной диффузии легирующей примеси p⁺ и n⁺ областей, что является крайне нежелательным при глубине залегания примеси 0.1 мкм и менее.

Решение этой проблемы было найдено в Физико-технологическом институте РАН группой А.Г.Васильева, который предложил использовать формирование низкоомной фазы силицида непосредственно в процессе осаждения сплава металла с кремнием на нагретые до температуры ~700^оС подложки. При этом осаждаемая пленка должна добирать некоторую, незначительную часть кремния из подложки. За счет чего осуществляется фазовый и структурный контраст пленок на областях Si и SiO₂, что позволяет селективно удалять пленку на оксиде относительно низкоомного силицида в контактном окне. Недостаток данного процесса лежит в области оборудования. Когда он был разработан, не изготавливались производственные установки осаждения тонких пленок, позволяющие обеспечить температуру подложки во время процесса осаждения выше 400^оС.

Поэтому промышленность пошла по пути замены материала и разработке технологических процессов на основе сначала CoSi₂, а затем NiSi.

Барьерные слои для медной металлизации

Как уже говорилось, в качестве материала горизонтальных и вертикальных межсоединений все чаще применяется медь, которая имеет низкое удельное электрическое сопротивление 1.72 мкОм*см (для сравнения удельное сопротивление алюминия составляет 2.83 мкОм*см) и лучшее (на 3 порядка выше чем у Al) сопротивление к электромиграции. Среди недостатков были отмечены плохая адгезия к SiO₂ и полимерным диэлектрикам, быстрое окисление на воздухе, сильная диффузия во многие диэлектрики, включая SiO₂, и в Si.

Решить эти проблемы можно двумя способами. Первый заключается в использовании барьерно-адгезионного слоя. Основным препятствием при его реализации является выбор материала, толщины и метода формирования барьерного слоя, поскольку, с одной стороны, он должен предотвращать взаимную диффузию между Cu и другими материалами, а с другой, не сильно повышать сопротивление межсоединения.

Второй метод, который может значительно упростить технологию формирования медных межсоединений, заключается в осаждении медных сплавов. За счет процессов самоорганизации происходит фазовое расслоение сплава и образование диффузионного барьера на границе с диэлектриком. Добавленный элемент также окисляется на поверхности и формирует слой защитного оксида. Были исследованы различные сплавы: Cu(Mg), Cu(Al), Cu(Ti), Cu(Zr), Cu(Cr), Cu(Ta). Например, при отжиге системы Cu(4.5% Mg)/SiO₂/Si в атмосфере кислорода (Т=400^оС) происходит диффузия Mg из сплава на поверхность и границы раздела с SiO₂ с образованием фазы MgO. Сформировавшаяся в результате отжига структура остается стабильной до температуры 700^оС, при времени отжига 30 мин. Правда сформированные таким образом медные проводники имеют большее удельное сопротивление. Кроме того, в канавках с большим аспектным отношением фазовое расслоение происходит неравномерно. Таким образом, можно говорить лишь о том, что данный подход имеет потенциальное применения в нанотехнологии.