Материал для изготовления тонкопленочных межсоединений интегральных микросхем
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 Н 01 L 23/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3575155/25 (22) 08.04.83 (45) 07.10.91. Бюл. М 37 . (71) Институт электроники АН БССР и Институт металлургии им, А.А.Байкова (72) В.M.Êîëåøêî, В.Ф.Белицкий, Н.Р.Бочвар, Е.В.Лысова и Е.И.Лапицкий (53) 621.382(088.8) (55) Патент США
М 3567509, кл. 117-217, опублик, 1972.
Авторское свидетельство СССР
М 598458, кл. Н Oi 1 21/28, 1974. (54)(57) МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (ИМС) на
Изобретение относится к микроэлектронике, в частности, к области изготовления интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых приборов, и может быть использовано для улучшения качества тонкопленочных межсоединений активных элементов.
Известен материал для изготовления межсоединений ИМС на основе алюминия, содержащего добавки кремния. Тонкопленочные межсоединения ИМС, выполненные из указанного материала, имеют повышенную устойчивость к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока. Введение кремния 1,01,5 мас. $, т.е. в количестве, равном пределу растворимости кремния в алюминии при температурах 475-500 С, равных температурам вжигания пленок для создания амических контактов, препятствует растворению кремния в алюминии, что практически иск„„ЯЦ„„1160896 А1 основе алюминия, содержащий редкоземельный металл и/или смесь редкоземельныхметаллов,отличающийся тем,что, с целью улучшения электрофиэических свойств тонкопленочных межсоединений
ИМ С при сохранении высокой устойчивости к отказам, он дополнительно содержит кремний при следующем содержании компонентов,мас.0ь:
Редкоземельный металл и/или смеси редкоземельных металлов
Кремний
Алюминий лючает короткие замыкания мелколежащих р-и-переходов за счет диффузии атомов алюминия в область р-п-перехода.
Существенным недостатком тонкопленочных межсоединений ИМС на основе в алюминия, содержащего добавки кремния. 0 является достаточно большой средний размер зерен (0,3-0,4 мкм) и то, что в процессе отжига при температурах 475-500 С в результате рекристаллизации на поверхности таких пленок образуются выступы, имеющие размеры в основании 0,6 мкм и высоту 0,2-0,3 мкм. Поэтому тонкие пленки из алюминия, содержащего добавки кремния, не могут быть применены при изготовлении межсоединений ИМС микронных и субмикронных размеров. Минимальная ширина межсоединений; которая может быть надежно. получена из указанного материала известными методами фотолитографии, составляет 4-6 мкм. Значительные размеры не1160896 ровностей микрорельефа поверхности пленок (ширина в основании 0,6 мкм и высота 0,2-0,3 мкм), сравнимые с толщиной межуровневого диэлектрика(0,3-0,4 мкм), затрудняют использование пленок иэ алюминия, содержащего добавки кремния, при многоуровневой разводке межсоединении
MMC за счет отказов, обусловленных разрушением межуровневого диэлектрика неровностями микрорельефа поверхности пленок и короткого замыкания между проводящими слоями.
Наиболее близким техническим решением oaëÿÎTcë материал для изготовления тонкопленочны"", межсоединений ИМС на основе an.îlièÿ÷ÿ, содержащий редкоземельный металл (РМЗ) или смесь редкоземельных металлов, Достоинства такого материала для изготовления межсоединений ИМС состоят в
Высокой устойчивости тонких пленок из него к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока и коррозии, Высокой свариваемости алюминиевой и золотой проволокой. Высокая степень дискретности пленок, средний размео зерен при содержании, например, Но в количестве 0.,7 мас,,ь ".oñòaanëeò 0,1-0,15 мкм, сохраняющаяся при термообработке при температуре - 475-500 С, позволяет формировать межсоединения ИМС с минимальной шириной 0,5-".,0 мкм.
К н-pocT87Kav материала для изготовлени", тонкопленочнь х межсоединений
ИМС на основе алюминия с добавками редкоземельных металлов относится то, что переходное;:снтактное сопротивленис (Й ) тонких !1ленок ал1оминия, содержа цих до бавки редкоземельных металлов, на 25-35), Выше, Цель достигается тем, что материал для изготовления тонкопленочных межсоединений ИМС на основе алюминиЯ, содержащий редкоземельный глеталл и/или смесь редкоземельных металлов, дополнительно содержит кремний при следующем содержании компонентов, глас.",",: Редкоземельные металлы и/или смеси редкоземельных металлов 0,01-4,0 Кремний 0,1-2,0 Алюминий Остальное Количественный состав компонентов, входящих в данный материал, определяется по их влиянию на размер зерен тонкой пленки, полученной из этого материала, переходное контактное сопротивление к кремнию, рельеф поверхности пленки, Нижняя граница входящих в данный материал ингредиентов определяет минимальное содержание примеси, при которой наблюдается эффект уменьшения контактного сопротивления тонкой пленки и сохраняются необходимые требования по размеру зерен, микрорельефу поверхности (см.табл,1, в которой приведены примеры граничных и оптимального количества содержания ингредиентов), а также сохраняются высокая устойчивость к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока и коррозии, высокое качество микросварки алюминиевой и золотой проволокой. Повышение устойчивости к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока и коррозии, а также качества ультразвукоаой микросварки достигается введением в пленку примесей Р3М. Верхняя граница определяет то максимальное содержание примеси, при котором также имеет место уменьшение Ry, при сохранении прочих вышеуказанных свойств. Материал получают обычным способом плавки алюминия, кремния, РЗМ и/или смесей РЗМ в дуговой печи, например, марки 1 -200 с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поддоне в атмосфере инертного газа. Перемешивание сплава осуществляется в этом случае с помощью дуги. Условия плавки следующие: давление гелия в печи 400 мм рт.ст,, ток — 1200-1600 А при напряжении 30-40 В, Время одного переплава 3-5 мин. Для более равномерного распределения РЗМ и SI каждый слиток переплавляли 3-4 раза. Затем проводили гомогениэирующий отжиг слитков на воздухе в течение 3-4 ч при температуре 450 С, Слитки имели диaìåòð 100 мм и высоту 8 мм. Из этих слитков го — îâèëè мллшени для магнетронного распыления материала. Для этого их обрабатывали на токарном станке при скорости обработки 63 об/мин. При этом исключалось использование охлаждаемых эмульсий. После обработки на токарном станке мишени имели 1160896 40 размеры; диаметр 95-0,5 мм, толщина 5Ф,5 мм. Перед помещением в устройство для магнетронного распыления полученные мишени обрабатывались в полирующем растворе следующего состава: НзР04 — 16 частей, НМОз — 1 часть, СНзСООН вЂ” 1 часть, Hz0 — 2 части в течение 3-5 мин, при температуре 30-40 C. Условия получения тонких пленок методом магнетронного распыления мишени диаметром 95 мм и толщиной 5 мм следующие: ток мишени — 1,0-1,5 А, 0м-520-560 8, давление аргона в камере 1,3> «10 мм рт.ст., температура кремниевой подложки была равной 170 С. Скорость напыления пленки при этих условиях 0,02-0,04 мкм/с. При этих же условиях распыляли и алюминий (марка А99), а также материалы для изготовления межсоединений на основе алюминия с добавками Р3М и Sl, Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 2 При определении переходного контактного сопротивления замеряли сопротивление цепочки из 18 J контактов на тестовом элементе. Доза легирования и -области была равной 700 мкКл. Из табл.2 следует, что предложенный материал имеет более низкое контактное сопротивление к кремнию, чем известные материалы, при сохранении высокой устойчивости к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока. Оценка величины нормального электродного потенциала в растворе этиленгликоля пленок алюминия с добавками РЗМ и $1 показала, что он менее отрицателен, чем для алюминия, а также алюминия с добавками Sl, и по порядку величины сравним с нормальным электродным потенциалом алюминия с добавками Р3М 0,48 В (см.табл.2). Это позволяет заключить о высокой коррозионной стойкости тонкопленочных межсоединений ИМС на основе предлагаемого материала. Были получены также материалы на основе алюминия и других РЗМ, содержащие кремний. Использовали У; УЬ; Се; Nd и другие РЗМ, Результаты исследования Я», среднего размера зерен, микрорельефа поверхности и других свойстз незначительно отличаются-от представленных в табл.1 и 2. Использовали также мишметэлл — смесь РЗМ, содержащий Се — 45-50; Nd — 18; Pr— 5; Sm — 1; La — 20-25; остальное: примеси У, Eu,ТЬ и другие РЗМ, i а также Al; Co; Са; Мп; SI; Ni; Ро; Fe; С. Результаты аналогичны. В частности, Р» — 250-300 Ом. Микрорельеф поверхности, средний размер зерен пленок, средняя наработка на отказ, нормальный электродный потенциал — все эти характеристики по величине незначительно отличаются от тех, которые были получены на образцах Al+Ho+Si; Al+Tb+Sl; AI+Eu+Si. . Таким образом, данный материал для изготовления тонкопленочных межсоединений ИМС, используемый и для полупроводниковых приборов, имеет существенные преимущества по сравнению с известными: по величине микронеровностей рельефа поверхности пленок, полученных путем его распыления, и более равномерному распределению зерен по размеру, а также величине переходного контактного сопротивления к кремнию. При этом сохраняется высокая устойчивость тонкопленочных проводников из указанного материала к отказам, обусловлен ны м. массо переносом под действием электрического тока и коррозии, а также высокое качество микросварки алюминиевой и золотой проволокой; Материал можно также использовать при изготовлении межсоединений МОП-интегральных микросхем с мелкими р-п-пере-. ходами и многоуровневой системой разводки, например, при изготовлении микросхем для электронных наручных часов, а также микросхем другого назначения. 1160896 Таблица 1 Зависимость контактного сопротивления и размера зерен от состава материала Харак рист (,," -:: - -. .="з ъ („ ос-.гав .;;ат ри . 1160896 Cl сч 1 сСЪ О ссЪ О LA С1 ссъ О ссъ Ф D Ь о о Ct ° Ф сЧ I с/\ О аО О 1 сЧ Ct аА О О м о О ссъ СЧ О О к LA о CO О 1 сЧ О о СЧ LA Са С1 ъо 1 о LA LA сЧ Cl 4 о о CO о 1 о Са ссъ С1 Ct О t4 1 сСЪ О LA ЪФ О аА LA сЧ LA е о о 1 1 Ф о о an Сб О Са 3 сЧ о a a о о CO ° Г Сб 1 сЧ Ф СЭ Cl С1 ф Ф о ссЪ м LA о 1 ссъ 1 . м Ф о 1 сч Сб -т с С1 1 м \О о о Cl о о. CI м О с"ъ Сб О о LA С1 Cl Ф *«Ь» ° СО О ссъ О 1 сО 1 ссс о O b„ I Ха» Z I- L3 х е о сх с ех Еkz е $ Лее Е X °К. z а с3 aX3 S ЕФ X *ею R Q i- 2 а Я ъе R и % е с Я й И z о ех ° е ае 28 е а и Й R о ч ХО z y е X e е х ф iz Е tti ° с 1 ссб 1 1 К 1 3 1 ! 3 б 1 Iat I к 1 с 1 1 а 1 1 О 1 б + 1 1 4 I 1 1 б к 1 1 I 1Ф 1 с 1 1 1 б О 1 + I I сС 3 1.1 1 Ссб 1 3 к 1 1 1 I 1 1 л 1 б 1 со I I ЪС i «а! I 1 1 I 1 ф б к 1 1 1 1 1 в 1 б О,1 1 + I 1 1 I I 1 1 I 1 1 1 1 1 1 Ф 1 1 Ы 3 1 К л 1 I в I i o 1 1 + 1 I l л О м Сбб 1 К б б I t + 1 l юс 1 1 1 1 1 1 I I 1 1 3 I гс t . 3 3В 1 1 1 1 а 1 I 3 1 I I l 1 1 3 1 1 1 1 ! О 1 1 1 1 1 1 LA о сбЪ о АА сЧ о с î о X Е с-б aD D ЗО о R3 I xсе Y Xtpeaе ое е е Ф сво еа о в j3w е б- 4 ° е а z e x асе и! t 1 1 Чб О сЧ б 1 1 б LA CO I 1 1 I 1 ! оо сЧ 1 1 б 33Ъ СС t с t 1 I 1 ,1 l оо «сЧ 1 3 1 б LAOO 1 ! 1 1 1 1 aOD 1 «СЧ б 1 б I LAIC I 1 б 1 1 I I б ъО о «сЧ б 1 С 1. бСЪ 00 I 1 1 1 б ао 3 1 Ф б о° 1 1 1 СЧ 1 СО« I б б I CV б о «со О I! 3 I ф 1 Е I zô б о - Ф ес б l$L ф 1 о с N 1I б X X б l б «.3 Y х88 l zao е сс о
