В последние годы основное внимание разработчиков интегральных микросхем концентрируется на развитии КМОП-технологии, смешанной биполярной КМОП-технологии (БиКМОП), совершенствовании и разработке новых видов микропроцессоров, интенсивном развитии ИС на арсениде галлия, разработке и освоении технологии многослойных трехмерных СБИС. Разработки ИС сопровождаются непрерывным увеличением числа используемых слоев и числа шаблонов, уменьшением глубины залегания р–n-переходов, ширины линий и толщины подзатворного диэлектрика. Однако освоение промышленного выпуска СБИС с элементами субмикронных размеров невозможно без кардинального решения проблемы металлизации в них. Дело в том, что с повышением степени интеграции ИС роль металлизации резко возрастает. Она занимает все большую площадь и начинает влиять на основные параметры схем: площадь кристалла, быстродействие, показатель качества, помехоустойчивость, надежность и др.

Если с уменьшением размеров быстродействие логических элементов возрастает, то быстродействие межсоединений системы металлизации снижается из-за уменьшения поперечного сечения проводников межсоединений и соответствующего увеличения погонного сопротивления, а также из-за уменьшения расстояния между соседними проводниками, заполненного диэлектриком и соответствующего увеличения электрической емкости. В результате, начиная с некоторого уровня интеграции ИС, задержки сигналов в межсоединениях могут превышать задержки в самих логических элементах. С уменьшением поперечного сечения проводников межсоединений появляется и ряд других проблем: снижается электромиграционная стойкость проводников, значительно усложняются технологические приемы травления при создании рисунка проводников с воспроизводимыми размерами и др. Существенное влияние на параметры полупроводниковых приборов с субмикронными размерами и ИС высокой степени интеграции оказывают омические контакты. Так, с уменьшением размеров элементов ИС разработанном уровне технологии контактов значительно повышается переходное сопротивление омических контактов. С уменьшением глубины залегания p-n переходов остро возникла проблема создания непроникающих контактов.

В настоящее время и в ближайшей перспективе единственным решением при создании металлизации СБИС является многоуровневая система металлизации. В табл. 1 приведены сведения о количестве уровней систем металлизации существующих и перспективных микропроцессорных СБИС [1].

Таблица. 1.

Данные о корреляции количества уровней металлизации СБИС с годом их выпуска в мире.

Год выпуска СБИС	2005	2007	2008	20012	2013	2016	2017	2019
Число уровней металлизации	11	11	12	12	13	13	14	14

При формировании таких многоуровневых систем возникают серьезные проблемы обеспечения планарности, надежности металлизации.

Таким образом, наличие множества специфических проблем в технологии создания эффективных систем металлизации СБИС обусловило интенсивные исследования в данном направлении, как за рубежом, так и у нас в стране. В настоящее время разработаны универсальные подходы к созданию, как отдельных элементов, так и металлизации СБИС в целом. Данная работа как раз и посвящена изложению данных решений.

2. Классификация элементов системы металлизации ис.

Можно выделить шесть основных элементов многоуровневой металлизации СБИС:

• контактная система металлизации;

• проводниковые межсоединения;

• слои межуровневого диэлектрика;

• межуровневые контакты;

• слой пассивации;

• контактные площадки.

Контактная система металлизации представляет собой омические и выпрямляющие контакты к кремнию. Проводниковые межсоединения – это проводники многоуровневой системы металлизации. Межуровневый диэлектрик - материал, электрически разделяющий проводниковые соединения различных уровней. Межуровневые контакты – это локальные контакты между проводниками соседних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика. Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий проводники верхнего уровня межсоединений. Контактные площадки – расположенные по периферии кристалла участки верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь металлической разводки с внешними соединениями.

В последующих разделах материал будет посвящен особенностям конструктивного исполнения и технологиям создания элементов многоуровневой системы металлизации.

В истории развития межсоединений кремниевых интегральных схем можно выделить три основных этапа. На первом этапе металлизация ИС была однослойной, и основу ее составлял один материал – алюминий. На следующем этапе металлизация стала содержать различные материалы и стала многослойной. Появилось деление ее слоев по функциональному назначению. Алюминий по-прежнему оставался основой коммутирующей разводки. На третьем этапе произошла замена основного материала межсоединений, алюминия, на медь, что повлекло за собой усложнение структуры металлизации и существенные изменения в технологическом процессе формирования. Последние два этапа характеризуется также постепенным ростом числа уровней разводки.

1.4. Многослойная система металлизации с межсоединениями на основе алюминия. Классификация слоев системы металлизации ис.

Слои многослойной системы металлизации можно классифицировать на основные, которые определяют теплоэлектрическое функционирование ИС в процессе эксплуатации, и вспомогательные технологические слои, которые необходимы на этапе формирования системы металлизации. К основным слоям относятся контактный слой, диффузионно-барьерный слой, один или несколько уровней алюминиевых межсоединений, другими словами, проводящих слоев, разделенных межуровневым диэлектриком.

Контактный слой (КС) – первый по отношению к полупроводнику, кремнию, слой, являющийся наиболее ответственным элементом системы металлизации в плане создания приборов с заданными электрическими и надежностными характеристиками. К материалам КС предъявляется комплекс требований по обеспечению номинальных электрических и физико-технологических параметров, среди которых выделяются [9]:

• низкое удельное сопротивление;

• близость значений удельного контактного сопротивления к p⁺- и n⁺-типам кремния;

• необразование примесных уровней в запрещенной зоне кремния, снижающих быстродействие прибора;

• высокая термическая стабильность;

• гладкость межфазной границы КС/полупроводник;

• простота формирования заданного рисунка;

• минимальное проникновение в зону p-n перехода.

По характеру физико-химического взаимодействия с кремнием металлы делятся на две категории:

• металлы, образующие с кремнием эвтектическую систему;

• металлы, образующие с кремнием химические соединения – силициды.

C точки зрения возможности одновременного удовлетворения всех указанных требований в качестве материала КС прочную позицию заняли силициды переходных металлов. На разных стадиях технологических норм размеров элементов ИС применение получили силициды PtSi, TiSi₂, CoSi₂ и NiSi.

Проводящий слой (ПС) (по-другому, коммутирующая разводка или межсоединения) – последний по отношению к активной области полупроводникового прибора и очередности нанесения, призванный обеспечить высокую электропроводность, устойчивость к электромиграционным процессам при плотностях электрического тока 10⁵10⁶ А/см² и допускать подсоединение внешних проволочных или объемных выводов к контактным площадкам известными методами. В условиях постоянного уменьшения размеров элементов ИС выбор материала проводящего слоя ограничивается очень небольшим кругом, прежде всего, по электропроводности. Это – алюминий (2,65 мкОмсм), золото (2,25 мкОмсм), медь (1,68 мкОмсм) и серебро (1,5 мкОмсм).

Диффузионно-барьерный слой (ДБС) – промежуточный слой между КС и ПС, назначение которого состоит в предотвращении какого-либо взаимодействия между материалами КС и ПС. Известными материалами ДБС являются тугоплавкие металлы (Ti, W), сплавы тугоплавких металлов (Ti-W, Ti-W-N, Ta-Si-N, Ti-Si-N), химические соединения тугоплавких металлов (нитриды, карбиды).

Слой межуровневого диэлектрика (СМУД) – слой, который расположен между проводящими слоями, и назначение которого состоит в электрической изоляции двух соседних уровней межсоединений. Основное требование к материалу СМД – это низкое значение диэлектрической проницаемости, чтобы иметь небольшую величину задержки сигнала RC-цепью.

К вспомогательным технологическим слоям (ВТС) можно отнести раскисляющий, адгезионный, антиотражающий и другие слои. В технологическом процессе некоторые виды ВТС могут расходоваться и/или удаляться.

Назначение адгезионного слоя (АС) – обеспечение высокой адгезии, т.е. сцепления металлических слоев с диэлектрическими поверхностями (SiO₂, Si₃N₄, фосфор-силикатное стекло, полиимид и др.) и другими контактирующими элементами системы металлизации ИС. В качестве материала АС используются металлы с высоким сродством к кислороду или высокой теплотой образования оксидов (H_f-150 ккал/моль). Известными для этих целей металлами являются титан, ванадий, хром. Наличие АС необходимо, когда используются слои благородных металлов (Pt, Pd, Ir и др.), которые не склонны к образованию оксидов. При этом один АС нужен под слоем благородного металла для обеспечения его адгезии к диэлектрическому материалу, и в этом случае АС остается составной частью системы металлизации при эксплуатации ИС. Другой АС нужен над указанным слоем благородного металла для обеспечения высокой адгезии фоторезиста к нему на этапе фотолитографического формирования топологического рисунка, и в этом случае АС может удаляться после проведения этой операции.

Раскисляющий слой (РС) – это тонкий слой химически активного по отношению к кислороду металла (Ti, Zr, Hf, Ta, Mo), в задачу которого входит очистка поверхности полупроводника от кислорода и других примесей, что обеспечивает, например, получение качественных КС силицидов с гладкой межфазной границей силицид/кремний при взаимодействии силицидообразующего металла и кремния (см. раздел 2.4 главы 2). В процессе указанного взаимодействия РС расходуется и продукты его в последствии химически удаляются вместе с остатками непрореагировавшего силицидообразующего металла.

Антиотражающий слой (АОС) – слой с низким коэффициентом отражения, что необходимо на операции фотолитографии при совмещении рисунка фотошаблона с ранее созданным на подложке топологическим рисунком ИС. АОС может удаляться после проведения этой операции.

Стоп-слой – тонкий слой, который необходим для остановки процесса сухого травления. Например, этот слой нужен при одновременном вскрытии контактных колодцев к областям затвора и стока/истока МДП-транзисторов, чтобы предотвратить травление затвора, поскольку толщина изолирующего слоя, в котором вскрываются окна, над затвором существенно меньше, чем над областями стока/истока, а селективность процесса сухого травления не достаточна.

Смачивающий слой – тонкий слой, который способствует беспустотному, однородному заполнению проводящим материалом канавок (траншей) и контактных окон («колодцев») в межуровневом диэлектрике и повышает термическую стабильность, электромиграционную стойкость проводящего слоя.

Примерная последовательность и некоторые особенности технологии формирования многоуровневой многослойной системы металлизации с алюминиевыми межсоединениями демострирует рис. 1.8. Первыми на подложке с уже изготовленными полупроводниковыми приборами селективно формируются КС силицида и полицидный затвор по самосовмещенной технологии (рис. 1.8 а, б). Поскольку существует большой перепад высоты между полицидным затвором и областями контактов стока/истока, далее осаждается толстый межслойный диэлектрик (рис.1.8 в), и методом химико-механической полировки проводится глобальная планаризация рельефа, что необходимо для последующего успешного проведения литографического процесса и вскрытия контактных колодцев к силицидному и полицидному слоям стока, истока и затвора (рис. 1.8 г). После этого методом PVD конформно осаждается тонкий ДБС.

Далее необходимо заполнить контактные колодцы металлом. Было бы разумным заполнять их алюминием. Однако применение алюминия для этой цели оказалось проблемным из-за трудности беспустотного заполнения. Традиционно алюминий всегда осаждался методами PVD, и в частности магнетронным распылением. Как уже отмечалось выше, эти методы не позволяют избежать возникновения пустот. Для заполнения контактных колодцев был использован вольфрам, который осаждается поверх ДБС методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) (рис.1.8 г). Особенностью метода CVD является возможность беспустотного заполнения узких глубоких полостей.

Рис.1.8. Схема формирования многоуровневой, многослойной системы металлизации с межсоединениями на основе алюминия.

После осаждения слоя вольфрама проводится глобальная планаризация рельефа, в процессе которой не только обеспечивается плоская поверхность, но и удаляются участки ДБС с этой плоской поверхности, оставляя электрически изолированные друг от друга вольфрамовые пробки, окруженные тонким ДБС (рис.1.8 д). На эту структуру наносится ПС, основу которого составляет алюминий (рис.1.8 д). Важно отметить особенность, что межсоединения на основе алюминия (рис 1.8 е) формируются путем прямой фотолитографии по осажденному ПС и последующего «сухого» травления ПС в хлорсодержащей плазме. Таким образом формируется первый уровень межсоединений. Следующим этапом является формирование второго уровня межсоединений, для чего последовательно осуществляются нанесение слоя межуровневого диэлектрика (рис.1.8 е), планаризация рельефа, фотолитография и вскрытие контактных окон в СМУД к первому уровню межсоединений, нанесение слоя вольфрама и формирование вольфрамовой пробки путем планаризации рельефа, нанесение второго ПС, фотолитография и «сухого» травление ПС (рис.1.8 ж). Последующие уровни межсоединений формируются аналогичным образом.

Многослойная многоуровневая система металлизации с межсоединениями на основе алюминия применялась в субмикронных технологиях кремниевых ИС до 0,13 мкм технологии, с которой в качестве межсоединений стала использоваться медь. Были две основные причины, вызвавшие необходимость этой замены. Обе эти причины были обусловлены уменьшением технологических размеров. Первая – это обострение до предела проблемы надежности системы металлизации и в рамках ее, прежде всего, проблемы электромиграции в алюминиевых межсоединениях из-за роста плотностей тока с уменьшением сечения проводников. Вторая – это проблема увеличения длины межсоединений при уменьшении их сечения и, как следствие, проблема роста сопротивления проводников, вызывающего увеличение величины паразитной RC-задержки сигнала. Более того, вторая проблема усугубляется первой, поскольку традиционный способ борьбы с электромиграцией – это примесные добавки (кремния, титана, меди и др.) в алюминий в пределах твердого раствора, что всегда повышает удельное сопротивление материала, а, следовательно, дополнительно увеличивает RC-задержку.