Способ изготовления программируемых элементов

Использование: в интегральной микроэлектронике при изготовлении полупроводниковых интегральных схем типа программируемых логических матриц, электрически программируемых постоянных запоминающих устройств. Сущность изобретения: способ изготовления программируемых элементов в составе ИС включает формирование на полупроводниковой подложке с элементами ИС первого слоя из материала на основе алюминия, первого барьерного слоя, слоя аморфного кремния, второго барьерного слоя и дополнительного слоя на основе Al, формирование маски резиста в виде локальных областей в местах расположения нижних электродов, локальное травление дополнительного слоя на основе алюминия, второго барьерного слоя, слоя аморфного кремния и первого барьерного слоя до первого слоя из материала на основе алюминия, в результате чего формируются локальные области - островки травимых слоев, удаление резиста, формирование маски резиста, покрывающей области расположения проводников нижнего уровня и нижних электродов, локальное травление не покрытых резистом областей первого проводящего слоя из материала на основе алюминия, удаление резиста, формирование изолирующего слоя, формирование маски резиста с окнами над поверхностью островков и поверхностью проводников нижнего уровня, локальное стравливание изолирующего слоя в окнах резиста, удаление резиста, формирование проводников верхнего уровня и верхних электродов методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия. Техническим результатом изобретения является улучшение воспроизводимости электрофизических параметров, в частности пробивного напряжения, повышение надежности и выхода годных изделий за счет повышения воспроизводимости параметров слоя материала программируемых элементов и сопряженных с ним барьерных слоев вследствие того, что эти слои формируются на планарной поверхности и не имеют дефектов, характерных для слоев, формируемых на рельефе. 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Изобретение относится к интегральной микроэлектронике и может быть использовано в полупроводниковых интегральных схемах (ИС) типа программируемых логических матриц, электрически программируемых постоянных запоминающих устройств и других ИС с программируемыми элементами.

Известен способ изготовления программируемого элемента (патент США N5989943, МКИ Н 01 L 21/28, НКИ 438/131 от 23.11.99 г.), содержащий следующую последовательность операций: создание на изолирующей подложке первого проводника, создание изолирующего слоя, покрывающего первый проводник, создание окна в диэлектрическом слое, нанесение слоя аморфного кремния, формирование локальной области слоя аморфного кремния, перекрывающей окно и находящейся в контакте с первым проводником, создание второго проводника, находящегося в контакте с локальной областью слоя аморфного кремния.

Недостатком данного способа является невоспроизводимость электрических характеристик элемента из-за локальных микронеоднородностей свойств слоя аморфного кремния в области рельефа поверхности, образованного краем окна в диэлектрическом слое. Другим недостатком является низкая надежность программируемого элемента из-за взаимодействия материала проводников с аморфным кремнием при проведении термических операций вплоть до его проплавления при изготовлении проводников из алюминия.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ изготовления программируемых элементов (патент США №6001693, МКИ Н 01 L 21/82, НКИ 438/281 от 14.12.99 г.), включающий формирование на подложке с элементами ИС, покрытыми диэлектрическим слоем, с контактными окнами нижних электродов методом нанесения и локального травления первого проводящего слоя из материала на основе алюминия, нанесение изолирующего слоя, формирование в изолирующем слое окон к нижним электродам, нанесение первого барьерного слоя, нанесение слоя фоторезиста из жидкой фазы, плазменное травление фоторезиста до его удаления со всей поверхности, исключая поверхность первого барьерного слоя в углублениях, образованных окнами в изолирующем слое, где фоторезист имеет повышенную толщину, локальное стравливание первого барьерного слоя с поверхности, не покрытой фоторезистом, удаление фоторезиста, нанесение слоя материала программируемых элементов, например слоя аморфного кремния, нанесение второго барьерного слоя, формирование маски фоторезиста, перекрывающей окна в изолирующем слое, локальное травление второго барьерного слоя и слоя материала программируемых элементов, удаление маски, формирование верхних электродов, контактирующих со вторым барьерным слоем, методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия.

Способ имеет варианты изготовления, в которых имеются операции формирования сглаживающих элементов - спейсеров из диэлектрического материала по контуру рельефа структуры методом нанесения и плазмохимического травления диэлектрика на этапе до и после осаждения слоя материала программируемых элементов. В качестве барьерных слоев может использоваться нитрид титана, вольфрам или сплавы тугоплавких металлов. Слой материала программируемых элементов кроме слоя аморфного кремния может включать диэлектрические подслои, например из нитрида кремния. При формировании программируемых элементов в составе полупроводниковых интегральных микросхем нижний и верхний электроды являются частью проводников верхнего и нижнего уровней.

Недостатком способа является невоспроизводимость электрофизических параметров программируемых элементов, в частности напряжения пробоя, из-за наличия локальных микронеоднородностей свойств слоя материала программируемых элементов по контуру рельефа, образованного краем окна в изолирующем слое, а так же краем области первого барьерного слоя. Микронеоднородность свойств проявляется, в частности, в виде концентрации механических напряжений на рельефе, переменной толщины слоя по контуру рельефа, локального повышения напряженности электрического поля при подаче потенциалов. Дополнительным фактором нестабильности является невоспроизводимость величины и формы рельефа. Другим недостатком является низкая надежность элемента вследствие невоспроизводимости барьерных свойств первого и второго барьерных слоев формируемых на ступенчатом профиле поверхности программируемых элементов. Это так же снижает выход годных изделий.

Способ изготовления программируемых элементов по прототипу поясняется чертежами, представленными на Фиг.1-1 - 1-9.

На Фиг.1-1 представлен схематический разрез структуры после формирования на подложке 1, покрытой диэлектрическим слоем 2, нижнего электрода 3 путем нанесения первого слоя на основе алюминия и его локального травления.

На Фиг.1-2 представлен схематический разрез структуры после нанесения изолирующего слоя 4 и формирования в нем окна 5 к нижнему электроду методом локального травления.

На Фиг.1-3 представлен схематический разрез структуры после нанесения первого барьерного слоя 6.

На Фиг.1-4 представлен схематический разрез структуры после нанесения слоя фоторезиста 7.

На Фиг.1-5 представлен схематический разрез структуры после плазменного травления фоторезиста до его удаления со всей поверхности, исключая область 8 на поверхности первого барьерного слоя в углублении, образованном окном в изолирующем слое.

На Фиг.1-6 представлен схематический разрез структуры после локального стравливания первого барьерного слоя с поверхности, не покрытой фоторезистом, и удаления фоторезиста.

На Фиг.1-7 представлен схематический разрез структуры после нанесения слоя материала программируемых элементов 10, например слоя аморфного кремния и второго барьерного слоя 11.

На Фиг.1-8 представлен схематический разрез структуры после формирования маски фоторезиста, перекрывающей область над окном в изолирующем слое, локального травления второго барьерного слоя и слоя материала программируемых элементов и удаления маски фоторезиста, в результате чего формируются локальные области травимых слоев 12.

На Фиг.1-9 представлен схематический разрез структуры после формирования верхнего электрода 13 путем нанесения второго слоя на основе алюминия и его локального травления.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является достижение технического результата, заключающегося в улучшении воспроизводимости электрофизических параметров программируемых элементов, в частности пробивного напряжения, повышении надежности и выхода годных изделий за счет повышения воспроизводимости параметров слоя материала программируемых элементов и сопряженных с ним барьерных слоев вследствие того, что эти слои формируются на планарной поверхности и не имеют дефектов, характерных для слоев, формируемых на рельефе. При этом поверхность программируемых элементов защищена на этапе после формирования слоя материала программируемых элементов и барьерных слоев от воздействия последующих технологических операций специальным дополнительным слоем на основе алюминия.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления программируемых элементов в составе полупроводниковой ИС включает нанесение на полупроводниковую подложку с элементами ИС, покрытыми диэлектрическим слоем, с контактными окнами первого проводящего слоя из материала на основе алюминия, формирование первого барьерного слоя, формирование слоя материала программируемых элементов, формирование второго барьерного слоя и дополнительного слоя на основе алюминия, формирование маски фоторезистора в виде локальных областей в местах расположения нижних электродов программируемых элементов, локальное травление дополнительного слоя на основе алюминия, второго барьерного слоя, слоя материала программируемых элементов и первого барьерного слоя до первого проводящего слоя на основе алюминия, в результате чего формируются локальные области травимых слоев, удаление фоторезиста, формирование маски фоторезиста, покрывающей области расположения проводников нижнего уровня, включая нижние электроды с расположенными над ними локальными областями травимых слоев, локальное травление не покрытых фоторезистом областей первого проводящего слоя из материала на основе алюминия до диэлектрического слоя, удаление фоторезиста, формирование изолирующего слоя, формирование маски фоторезиста с окнами в местах расположения нижних электродов программируемых элементов над поверхностью локальных областей травимых слоев, а так же над поверхностью первого проводящего слоя из материала на основе алюминия в местах расположения межуровневых контактов, локальное стравливание изолирующего слоя в окнах фоторезиста, удаление фоторезиста, формирование проводников верхнего уровня, включая верхние электроды, методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия, формирование пассивации.

В предлагаемом способе нанесение первого проводящего слоя из материала на основе алюминия может включать нанесение нижнего контактного слоя титана, барьерного слоя нитрида титана и верхнего низкоомного слоя алюминия, легированного кремнием. Слоем материала программируемых элементов может являться слой аморфного кремния или слой аморфного кремния, имеющий верхний и нижний подслои нитрида кремния. Формирование изолирующего слоя может включать плазмохимическое осаждение первого слоя двуокиси кремния, формирование планаризующего слоя из жидкой композиции, плазмохимическое осаждение второго слоя двуокиси кремния. Нанесение второго проводящего слоя из материала на основе алюминия может включать нанесение нижнего слоя титана, верхнего низкоомного слоя алюминия, легированного кремнием, и антиотражающего слоя нитрида титана. Материалом первого и второго барьерных слоев может являться нитрид титана.

Отличительным признаком предлагаемого способа изготовления программируемых элементов является совокупность операций, выполняемых в указанной последовательности, включающая нанесение на первый проводящий слой из материала на основе алюминия первого барьерного слоя, слоя материала программируемых элементов, второго барьерного слоя и дополнительного слоя на основе алюминия, формирование маски фоторезиста в виде локальных областей в местах расположения нижних электродов программируемых элементов, локальное травление дополнительного слоя на основе алюминия, второго барьерного слоя, слоя материала программируемых элементов и первого барьерного слоя до первого проводящего слоя на основе алюминия, в результате чего формируются локальные области травимых слоев, удаление фоторезиста, формирование маски фоторезиста, покрывающей области расположения проводников нижнего уровня и нижние электроды с расположенными над ними локальными областями травимых слоев, локальное травление не покрытых резистом областей первого проводящего слоя на основе алюминия до диэлектрической пленки, удаление резиста, формирование изолирующего слоя, формирование маски резиста с окнами над поверхностью локальных областей травимых слоев в местах расположения нижних электродов программируемых элементов, а так же над поверхностью первого проводящего слоя на основе алюминия в местах расположения межуровневых контактов, локальное стравливание изолирующего слоя в окнах фоторезиста, удаление фоторезиста, формирование проводников верхнего уровня, включая верхние электроды, методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия.

Благодаря отличительным признакам способа изготовления программируемых элементов достигается технический результат, заключающийся в улучшении воспроизводимости электрофизических параметров программируемых элементов, в частности пробивного напряжение, и повышении надежности и выхода годных изделий за счет улучшения воспроизводимости параметров слоя материала программируемых элементов и сопряженных с ним барьерных слоев, разделяющих слой материала программируемых элементов и проводники на основе алюминия. Это обусловлено тем, что слои формируются на безрельефной поверхности и не имеют областей перегиба, которые можно рассматривать как дефекты. Дефекты проявляются, в частности, в виде изменения толщины слоев, наличия областей концентрации механических напряжений. влияющих на электрофизические характеристики. Технический результат достигается так же наличием дополнительного слоя на основе алюминия, являющегося сопором при травлении окон в изолирующем слое, что устраняет подтрав второго барьерного слоя при плазмохимическом травлении окон в областях расположения программируемых элементов и обеспечивает тем самым, стабильность параметров.

Предлагаемое техническое решение является комплексным и позволяет реализовать программируемые элементы на электрическом пробое МДМ структур, где в качестве диэлектрика может использоваться аморфный кремний. Программируемые элементы реализуются в составе полупроводниковых ИС в цикле формирования многоуровневых межсоединений, имеющих проводники верхнего и нижнего уровней, межуровневые контакты и изолированные пересечения проводников.

Таким образом, перечисленная совокупность отличительных признаков патентуемого изобретения позволяет достичь технического результата, заключающегося в улучшении воспроизводимости электрофизических параметров программируемых элементов, повышении надежности и выхода годных изделий.

Способ изготовления программируемых элементов по заявляемому способу поясняется чертежами, представленными на Фиг.2-1 - 2-6, на примере формирования одиночного программируемого элемента.

На Фиг.2-1 представлен схематический разрез структуры после нанесения на полупроводниковую подложку 1, покрытую диэлектрическим слоем 2, первого проводящего слоя из материала на основе алюминия 3, первого барьерного слоя 4, слоя материала программируемого элемента, например аморфного кремния 5, второго барьерного слоя 6 и дополнительного слоя на основе алюминия 7.

На Фиг.2-2 представлен схематический разрез структуры после формирования маски фоторезиста в виде локальной области в месте расположения нижнего электрода программируемого элемента, локального травления дополнительного слоя на основе алюминия, второго барьерного слоя, слоя материала программируемого элемента и первого барьерного слоя до первого проводящего слоя из материала на основе алюминия и удаления фоторезиста, в результате чего формируются локальные области травимых слоев 8, края которых совпадают.

На Фиг.2-3 представлен схематический разрез структуры после формирования маски фоторезиста, покрывающей место расположения проводников нижнего уровня, включая нижний электрод, локального травления не покрытых фоторезистом областей первого проводящего слоя из материала на основе алюминия и удаления фоторезиста, в результате чего формируются нижний электрод 9 и элементы межсоединений 10.

На Фиг.2-4 представлен схематический разрез структуры после формирования изолирующего слоя 11.

На Фиг.2-5 представлен схематический разрез структуры после формирования маски фоторезиста с окном над локальными областями травимых слоев в месте расположения программируемого элемента, а так же с окном над поверхностью первого проводящего слоя из материала на основе алюминия в месте расположения межуровневого контакта, локального отравления изолирующего слоя в окнах фоторезиста и удаления фоторезиста. В результате формируется окно 12 и окно 13.

На Фиг.2-6 представлен схематический разрез структуры после нанесения второго проводящего слоя из материала на основе алюминия и формирования рисунка проводников верхнего уровня 14, 15, включая верхний электрод 14 программируемого элемента.

Пример реализации предлагаемого технического решения включает следующее. На кремниевой полупроводниковой подложке со сформированными в ней КМОП структурами, покрытыми диэлектрической пленкой толщиной 5500 нм, имеющей контактные окна, формируют многослойную тонкопленочную структуру Ti-TiN-AlSi-TiN с толщиной отдельных слоев 30 - 110 - 450 нм - 120 нм соответственно. Формирование структуры осуществляют последовательным напылением входящих в нее слоев на установке кластерного типа в едином вакуумном цикле методом магнетронного распыления при температуре 300°С. Для напыления слоя Ti и TiN используются Ti - мишени, при этом напыление Ti осуществляется в среде Ar, а напыление TiN в смеси Ar и N2 при температуре 280°С. Формируют слой аморфного кремния толщиной 1000 нм методом плазмохимического осаждения из смеси на основе моносилана при температуре 280°С. Наносят слои TiN и AISi с толщиной 130 и 150 нм соответственно методом магнетронного распыления при температуре 300°С. Методом центрифугирования из жидкой фазы наносят пленку фоторезиста с подслоем антиотражающего покрытия. Используя технику фотолитографии, формируют маску резиста, представляющую собой квадратные в плане области слоя резиста размером 2,0×2,0 мкм² в местах последующего расположения нижних электродов программируемых элементов на планарной поверхности. Жидкостным химическим травлением в травителе на основе ортофосфорной кислоты при температуре 40°С осуществляют локальное травление слоя AlSi толщиной 150 нм. Методом реактивного ионно-плазменого травления во фторсодержащей плазме на установке с диодной системой возбуждения ВЧ плазмы осуществляют локальное травление слоя TiN толщиной 130 нм, слоя аморфного кремния и слоя TiN толщиной слоев 120 нм до слоя AlSi толщиной 450 нм. Наносят пленку фоторезиста с подслоем антиотражающего покрытия. Методом фотолитографии формируют маску фоторезиста с рисунком проводников нижнего уровня. Проводят локальное плазмохимическое травление слоев AlSi 450 нм, TiN 110 нм и Ti 30 нм до диэлектрической пленки в хлорсодержащей плазме. Удаляют маску резиста. В результате формируются проводники нижнего уровня, включая нижние электроды программируемых элементов. Проводят жидкостную химическую обработку с целью очистки структуры от продуктов травления. Формируют межуровневый диэлектрик в виде многослойной структуры SiO₂ - планаризующий слой - SiO₂ суммарной толщиной 800-1100 нм, с формированием планаризующего слоя из растворной композиции Accuglass 211, с последующим отжигом структуры при температуре 420°С в течение 60 мин. Формируют маску фоторезиста с окнами размером 1,0×1,0 мкм². Осуществляют локальное травление межуровневого диэлектрика на участках, не покрытых фоторезистом в травителе на основе плавиковой кислоты на глубину 400 нм и плазмохимическое дотравление межуровневого диэлектрика во фторсодержащей плазме, после чего удаляют маску фоторезиста. Проводят жидкостную химическую обработку с целью очистки структуры от продуктов травления. Осуществляют магнетронное напыление слоев Ti-AISi-TiN толщиной 1000 - 1050 - 70 нм соответственно при температуре 300°С с предварительной ионной очисткой в ВЧ- плазме Ar. Используя технику фотолитографического маскирования и локального траления, формируют рисунок проводников верхнего уровня. Формируют пассивацию и проводят отжиг при температуре 410°С в смеси N₂ и H₂ в течение 30 мин.

1. Способ изготовления программируемых элементов, включающий формирование на полупроводниковой подложке с элементами ИС, покрытыми диэлектрическим слоем, с контактными окнами проводников нижнего уровня и нижних электродов программируемых элементов методом нанесения и локального травления первого проводящего слоя из материала на основе алюминия, формирование методом нанесения и локального травления локальных областей первого барьерного слоя, контактирующих с нижними электродами, локальных областей слоя материала программируемых элементов, контактирующих с первым барьерным слоем, локальных областей второго барьерного слоя над локальными областями слоя материала программируемых элементов, формирование изолирующего слоя, формирование окон в изолирующем слое, формирование проводников верхнего уровня и верхних электродов методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия, отличающийся тем, что после нанесения первого проводящего слоя из материала на основе алюминия осуществляют нанесение первого барьерного слоя, слоя материала программируемых элементов, второго барьерного слоя и дополнительного слоя на основе алюминия, формируют маску фоторезиста в виде локальных областей в местах расположения нижних электродов программируемых элементов, проводят локальное травление дополнительного слоя на основе алюминия, второго барьерного слоя, слоя материала программируемых элементов и первого барьерного слоя до первого проводящего слоя на основе алюминия, в результате чего формируются локальные области травимых слоев, удаляют фоторезист, формируют маску фоторезиста, покрывающую области расположения проводников нижнего уровня и нижних электродов с расположенными над ними локальными областями травимых слоев, осуществляют локальное травление не покрытых фоторезистом областей первого проводящего слоя на основе алюминия до диэлектрической пленки, удаляют фоторезист, формируют изолирующий слой, формируют маску фоторезиста с окнами над поверхностью локальных областей травимых слоев в местах расположения нижних электродов программируемых элементов, а также над поверхностью первого проводящего слоя на основе алюминия в местах расположения межуровневых контактов, проводят локальное стравливание изолирующего слоя в окнах фоторезиста, удаляют фоторезист, проводят формирование проводников верхнего уровня методом нанесения и локального травления второго проводящего слоя из материала на основе алюминия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение первого проводящего слоя из материала на основе алюминия включает нанесение нижнего контактного слоя титана, барьерного слоя нитрида титана и верхнего низкоомного слоя алюминия, легированного кремнием.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что материалом первого и второго барьерных слоев является нитрид титана.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что слоем материала программируемых элементов является слой аморфного кремния.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение слоя материала программируемых элементов включает нанесение нижнего подслоя нитрида кремния, слоя аморфного кремния и верхнего подслоя нитрида кремния.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование изолирующего слоя включает плазмохимическое осаждение первого слоя двуокиси кремния, формирование планаризующего слоя из растворной композиции, плазмохимическое осаждение второго слоя двуокиси кремния.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что нанесение второго проводящего слоя из материала на основе алюминия включает нанесение нижнего слоя титана, верхнего низкоомного слоя алюминия, легированного кремнием, антиотражающего слоя нитрида титана.