Способ изготовления многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с воздушными зазорами
Владельцы патента RU 2436188:
Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" (RU)
Изобретение относится к микроэлектронике. Сущность изобретения: способ изготовления многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с воздушными зазорами включает формирование на подложке первого проводящего и первого диэлектрического слоев, формирование отверстий в первом диэлектрическом слое, формирование вертикальных проводников, путем газофазного осаждения второго проводящего слоя, покрывающего поверхность и заполняющего отверстия, и удаления этого слоя с поверхности первого диэлектрического слоя химико-механической полировкой, стравливание части первого диэлектрического слоя селективно к материалу второго проводящего слоя, формирование маски с рисунком горизонтальных проводников, локальное травление первого диэлектрического и первого проводящего слоев, удаление маски, в результате чего формируются горизонтальные проводники, покрытые нестравленной частью первого диэлектрического слоя и разделенные зазорами, неконформное осаждение второго диэлектрического слоя с формированием сомкнутых воздушных зазоров. Затем проводят химико-механическую полировку второго диэлектрического слоя до вскрытия поверхности вертикальных проводников, после чего повторяют цикл формирования следующего уровня проводников и формируют пассивирующий слой. Изобретение обеспечивает снижение времени задержки распространения сигналов, повышение надежности и выхода годных изделий, а также расширение технологических возможностей изготовления. 5 з.п. ф-лы, 9 ил., 1 табл.
Область техники
Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технологии формирования многоуровневых межсоединений полупроводниковых интегральных микросхем.
Уровень техники
Известные способы изготовления многоуровневых межсоединений, как правило, состоят из повторяющихся циклов формирования однотипно изготавливаемых горизонтальных и соединяющих их межуровневых вертикальных проводников, окруженных диэлектриком.
При уменьшении размеров элементов скорость распространения сигналов в микросхемах все в большей степени определяется задержками в межсоединениях, которые, при прочих равных условиях, зависят от их электрического сопротивления R и емкости С. Задача уменьшения сопротивления и емкости в межсоединениях становится актуальной, начиная с субмикронных размеров элементов.
Величина R пропорциональна удельному сопротивлению материала проводников ρv, а величина С пропорциональна эффективному значению диэлектрической проницаемости межпроводниковой изоляции Kэфф, которая означает среднеэффективное значение диэлектрической проницаемости межпроводниковой изоляции, включающей различные диэлектрические материалы. Величина К означает диэлектрическую проницаемость конкретного диэлектрика.
Для снижения R взамен технологии на основе сплавов алюминия была создана технология медных межсоединений. Это позволило уменьшить время распространения сигналов примерно в полтора раза, так как удельное сопротивление сплавов алюминия ρv Al≈3 мкОм × см, а удельное сопротивление меди ρv Cu≈2 мкОм × см. Медные межсоединения, как правило, применяют при создании более совершенного производства, в котором одновременно используются и приемы уменьшения Kэфф. Например, разработан и широко используется процесс формирования межпроводниковой изоляции на основе фторированного диоксида кремния с K≈3,6. Это позволяет уменьшить диэлектрическую проницаемость по сравнению с типовым процессом осаждения диоксида кремния, K≈4, в плазмоактивированной газовой фазе примерно на 10%. Такой материал используют в процессе изготовления многоуровневых межсоединений с горизонтальными проводниками на основе сплава алюминия и вертикальными проводниками на основе вольфрама. Разработаны и интегрированы в технологический процесс многоуровневых межсоединений новые диэлектрические материалы с более низким, примерно на 25%, значением К. Реально используемые материалы имеют K≈2,7÷3. Однако новые материалы значительно усложняют и удорожают процесс изготовления и в межсоединениях на основе алюминия практически не используются. Представленные данные описаны в научно-технической литературе (Semiconductor Industrial Association. The international technology roadmap for semiconductor. 2003 - SEMATECH, http://public itrs.net/Files/2003 Update/2003 Update. pdf.).
При уменьшении размеров элементов существенный вклад в общую емкость межсоединений вносит емкость между близко расположенными смежными проводниками одного уровня. Проблема решается приемами, обеспечивающими снижение диэлектрической проницаемости среды, заполняющей пространство между боковыми поверхностями проводников.
Известен типовой, широко применяемый в производстве для микросхем с проектными нормами 0,18 мкм, способ изготовления межсоединений, который не предусматривает специальных мер по уменьшению Kэфф (Samit S. Sengupta; Subhas Bothra, «Integration of a W-plug in an Al-based metallization scheme for 0.25-µm 1C technology». Multilevel Interconnect Technology II, Mart Graef; Divyesh N. Patel, Editors, pp.110-121, 4 September 1998). Способ описан в первом столбце Таблицы. Он включает нанесение слоя алюминия, обычно с добавками 0,5% меди и 1% кремния, локальное травление алюминия, в результате чего формируются горизонтальные проводники, нанесение диэлектрического слоя из газовой фазы, сначала в высокоплотной плазме с обратным травлением осаждаемой пленки, с заполнением зазоров между проводниками, а затем конформным методом, после чего проводят сглаживание поверхности методом химико-механической полировки (ХМП), локальное травление отверстий в диэлектрическом слое под вертикальные проводники, нанесение слоя титана и нитрида титана, конформное нанесение из газовой фазы слоя вольфрама с заполнением отверстий, удаление слоев вольфрама, титана и нитрида титана с поверхности диэлектрического слоя методом ХМП, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники. Недостатком способа является высокий уровень задержки сигналов в проводниках.
Существуют способы введения в зазор между близко расположенными проводниками так называемых воздушных зазоров, представляющих собой замкнутые полости или пустоты в диэлектрическом слое с K≈1 (патент США №US 6,903,002 В1, H01L 21/4763, 06.07.2005). Это позволяет снизить значение Кэфф до величины ≈ 2,2. Такие методы обеспечивают уменьшение емкости практически без использования нового технологического оборудования и материалов. Введение воздушных зазоров в межсоединениях на основе сплавов алюминия с межуровневой изоляцией на основе фторированного диоксида кремния, K≈3,6, позволяет снизить задержку сигнала на величину порядка 1,6 раза, что практически соизмеримо с эффектом замены сплавов алюминия на медь. Это уменьшает задержку сигналов примерно в 1,5 раза. Способы с формированием воздушных зазоров основаны на использовании процесса неконформного осаждения диэлектрика на поверхность структуры, имеющей выступающие над поверхностью подложки проводники, разделенные зазорами. Такими свойствами обладает, например, широко используемый в производстве процесс неконформного плазмохимического осаждения диэлектрика из газовой фазы с использованием соединений кремния и кислорода. В таком процессе скорость осаждения диэлектрического слоя на боковых поверхностях проводников в верхней части зазора между проводниками выше, чем в нижней части. При определенной толщине поверхности диэлектрического слоя, формируемые на противоположных стенках зазора между проводниками, смыкаются, а ниже уровня смыкания образуется замкнутая полость, так называемый воздушный зазор. Обычно смыкание имеет место выше поверхности проводников. Для зазоров между проводниками разной ширины смыкание имеет место при различной толщине осаждаемого диэлектрического слоя. Чем шире зазор, тем более толстый диэлектрический слой требуется осаждать для достижения эффекта смыкания. Развитие технологии изготовления микросхем сопровождается непрерывным уменьшением размеров элементов. Это выражается, например, в том, что при проектировании топологии горизонтальных и межуровневых вертикальных проводников уменьшаются допуски на размеры элементов, определяемые точностью совмещения на операциях фотолитографии. Например, размер отверстий под вертикальные проводники проектируют равным ширине горизонтальных проводников и допускают выход отверстий за пределы горизонтальных проводников из-за рассовмещения рисунка слоев. При наличии воздушных зазоров между проводниками в процессе травления таких отверстий в межуровневом диэлектрике воздушные зазоры могут быть вскрыты и в них могут проникнуть различные технологические реагенты, например, жидкие технологические среды и загрязнения. Это снижает выход годных изделий, ухудшает электрофизические параметры изделия, например, уменьшаются пробивные напряжения изоляции, увеличиваются токи утечек между проводниками.
Известен способ формирования межсоединений с применением пористых диэлектриков с ультранизкой диэлектрической проницаемостью K≈2,2 (Электронная промышленность. Российское агентство по системам управления, №4, 2004 г. Изолирующие слои многоуровневой разводки интегральных схем с низкой диэлектрической проницаемостью. В.А.Васильев и др., стр.145-153). Диэлектрики формируют методом химического нанесения из растворов (ХНР) на основе пленкообразующих кремнийорганических соединений с добавками, подвергаемыми термодеструкции и удалению в процессе отжига, с образованием в матрице исходного диэлектрика пор с общей пористостью от 20 до 50% и размером пор в единицы нанометров. Недостатками таких диэлектриков являются их низкая механическая прочность, что затрудняет проведение процессов ХМП. Кроме того, пористый диэлектрик в процессе обработки структур насыщается загрязнениями, которые трудно удалить. Все это снижает качество изоляции, выход годных и надежность изделий.
Известен способ формирования межсоединений (патент США №6,281,585 В1, H01L 23/48, 28.08.2001), который включает формирование горизонтальных проводников с выступающими на их поверхности вертикальными проводниками, нанесение диэлектрика неконформным методом с формированием воздушных зазоров и вскрытие поверхности вертикальных проводников методом ХМП. Способ позволяет решить проблему недопустимого вскрытия воздушных зазоров при локальном травлении отверстий под вертикальные проводники, так как этот процесс отсутствует. Однако способ усложняет процесс изготовления вертикальных проводников, так как требует применения стопорных слоев и процесса селективного травления материала вертикальных проводников по отношению к материалу горизонтальных проводников. Кроме того, в выступающие над горизонтальными проводниками вертикальные проводники до нанесения изолирующего слоя могут быть внесены дефекты, что снижает надежность и выход годных изделий.
Известен способ изготовления многоуровневых межсоединений с воздушными зазорами (патент США №5,461,003, H01L 24/44, 24.10.1995), включающий формирование на полупроводниковой подложке горизонтальных проводников, путем нанесения проводящего слоя и его локального травления, заполнение пространства между проводниками твердым жертвенным слоем, путем нанесения жертвенного слоя на поверхность структуры и удаления его части, расположенной выше уровня поверхности проводников, нанесение пористого диэлектрического слоя, удаление жертвенного слоя через поры диэлектрического слоя, в результате чего в пространстве между проводниками формируются воздушные зазоры. Затем следует нанесение непористого диэлектрического слоя. Последующие этапы включают формирование межуровневых вертикальных проводников, путем локального травления отверстий в непористом и пористом диэлектрических слоях до горизонтальных проводников, нанесения проводящего слоя, заполняющего отверстия, и удаление проводящего слоя с поверхности диэлектрических слоев методом ХМП. Недостатком способа является пониженная механическая прочность структуры из-за наличия нестойкого пористого слоя и отсутствия элементов, поддерживающих этот слой снизу в широких зазорах, что ухудшает эксплуатационные свойства изделий и ограничивает технологические возможности их изготовления, в частности, повышает вероятность разрушения при ХМП. Также не решена проблема возможного вскрытия воздушного зазора при травлении отверстия под вертикальные проводники. Другим недостатком является ограничение технологических возможностей в части применения материалов и процессов, которые должны обеспечивать эффективное удаление жертвенного слоя и не допускать загрязнения воздушного зазора и пористой пленки. Например, ограничено применение жидких органических растворителей для удаления полимерных остатков после плазмохимического травления.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с воздушными зазорами, представленный в патенте США №US 6,232,647 В1, H01L 29/00, 15.05.2001 г., выбранный в качестве прототипа. Основные этапы изготовления такой структуры представлены на Фиг.1-4. Способ включает формирование на полупроводниковой подложке 1 с активными и пассивными элементами, покрытыми диэлектрическим слоем 2, первого проводящего слоя и его локальное травление, в результате чего формируются горизонтальные проводники нижнего уровня 3, затем проводят осаждение первого диэлектрического слоя 4 (Фиг.1). Формируют маску фоторезиста 5, перекрывающую горизонтальные проводники в областях последующего расположения межуровневых вертикальных проводников, и методом локального травления утоняют часть первого диэлектрического слоя, не защищенную маской (Фиг.2). В результате толщина первого диэлектрического слоя над горизонтальными проводниками в областях последующего расположения вертикальных проводников, включая боковую поверхность проводников, больше, чем вне этих областей. Затем удаляют маску и формируют второй диэлектрический слой 6 методом неконформного плазмохимического осаждения из газовой фазы до смыкания второго диэлектрического слоя в промежутках между узкими смежными проводниками и образования в этих промежутках воздушных зазоров 7 (Фиг.3). Вследствие того, что толщина первого диэлектрического слоя на боковой поверхности проводников в областях последующего расположения вертикальных проводников больше, чем в остальных областях, воздушный зазор смещен в сторону от областей последующего расположения вертикальных проводников. Затем проводят сглаживание поверхности второго диэлектрического слоя методом ХМП. Далее методом локального травления под маской фоторезиста формируют отверстия под межуровневые вертикальные проводники путем локального травления второго и первого диэлектрических слоев до поверхности горизонтальных проводников с возможностью некоторого смещения отверстий за пределы горизонтальных проводников и удаляют маску. Формируют межуровневые вертикальные проводники, например, путем нанесения слоев Ti и TiN, а также слоя W методом конформного газофазного осаждения, обеспечивающего покрытие поверхности второго диэлектрического слоя и заполнение отверстий, и удаляют слои W, TiN и Ti с поверхности второго диэлектрического слоя методом ХМП. Основные операции по прототипу представлены во втором столбце Таблицы. Способ позволяет отодвинуть воздушный зазор от боковой стенки проводника, к поверхности которого подключаются вертикальные проводники, и уменьшить вероятность вскрытия воздушных зазоров при травлении отверстий. Однако, при этом снижается эффективность введения воздушных зазоров между проводниками, так как их размер в области вертикальных проводников уменьшается. Техническое решение по прототипу хотя и уменьшает вероятность смыкания межуровневых отверстий с воздушными зазорами, но не исключает его. Кроме того, опасным является не только смыкание отверстий с воздушным зазором, но и случай, когда прослойка диэлектрика между отверстием и воздушным зазором будет такой тонкой, что увеличивается вероятность появления в ней точечных дефектов типа проколов. Введение дополнительной фотолитографии под травление первого диэлектрического слоя удорожает производство и снижает производительность. Следует иметь в виду, что формируемый воздушный зазор фактически представляет собой газонаполненную полость. После нанесения диэлектрического слоя полость заполнена газами, используемыми в процессе газофазного осаждения, и газообразными продуктами их взаимодействия. В рассматриваемом техническом решении после осаждения второго диэлектрического слоя по торцам зазоров между смежными проводниками, особенно в нижней части, где скорость осаждения понижена, могут иметь место не сомкнутые каналы. В этом случае после выгрузки изделий из реактора установки газофазного осаждения воздушные зазоры наполняются средой, в которую выгружаются изделия, например окружающим воздухом. При проведении последующих технологических операций воздушные зазоры через эти каналы будут заполняться трудноудаляемыми жидкими материалами, например, органическим растворителем, применяемым при удалении фоторезиста или полимерных остатков после травления отверстий под вертикальные проводники. Наличие неконтролируемой среды в воздушных зазорах приводит к невоспроизводимости параметров изоляции между проводниками, таких как ток утечки, пробивное напряжение и электрическая емкость. Из-за наличия загрязнений может наблюдаться отслаивание осаждаемых слоев, что снижает выход годных изделий и их надежность.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение времени задержки распространения сигналов, повышение надежности и выхода годных изделий, а также расширение технологических возможностей изготовления изделий.
Отличительными признаками по отношению к прототипу, характеризующими изобретение, а также существенными признаками является предлагаемая совокупность и последовательность выполнения операций (фиг.5-9, Таблица, столбец 3), заключающаяся в том, что на полупроводниковой подложке, покрытой диэлектрическим слоем со встроенными в него вертикальными проводниками нижнего уровня, контактирующими с нижележащими активными и пассивными элементами микросхемы, наносят первый проводящий слой, затем первый диэлектрический слой, формируют маску для травления отверстий под межуровневые вертикальные проводники, локальным травлением формируют отверстия в первом диэлектрическом слое до первого проводящего слоя и удаляют маску. Создают вертикальные проводники, путем нанесения второго проводящего слоя, покрывающего поверхность первого диэлектрического слоя и заполняющего отверстия под вертикальные проводники, и удаления второго проводящего слоя с поверхности первого диэлектрического слоя методом ХМП. После этого стравливают часть первого диэлектрического слоя селективно к материалу вертикальных проводников, в результате чего вертикальные проводники выступают над поверхностью. Формируют фоторезистивную маску с рисунком горизонтальных проводников и локально травят первый диэлектрический слой до первого проводящего слоя, затем травят первый проводящий слой до диэлектрического слоя, покрывающего подложку, и удаляют маску. В результате этого на поверхности формируются горизонтальные проводники, покрытые сверху первым диэлектрическим слоем, в который встроены частично выступающие вертикальные проводники. При этом горизонтальные проводники разделены зазорами, которые могут иметь различную ширину. Затем методом, содержащим, по крайней мере, стадию неконформного осаждения диэлектрика из газовой фазы, формируют второй диэлектрический слой толщиной, обеспечивающей формирование нижнего уровня поверхности выше уровня поверхности вертикальных проводников. То есть толщина второго диэлектрического слоя равна или превышает суммарную толщину первого и второго проводящих слоев. При осаждении второго диэлектрического слоя таким методом в зазорах, по крайней мере минимальной ширины, образуемых смежными проводниками, покрытыми нестравленной частью первого диэлектрического слоя, формируются смыкающиеся воздушные зазоры. Воздушные зазоры смыкаются на уровне выше поверхности горизонтальных и ниже поверхности вертикальных проводников. Кроме того, смыкание воздушных зазоров имеет место и по торцам зазоров между проводниками сверху донизу. Затем проводят удаление части второго диэлектрического слоя методом ХМП до вскрытия поверхности вертикальных проводников. После этого повторяют цикл формирования горизонтальных и вертикальных проводников, начиная с операции нанесения первого проводящего слоя, до удаления части второго диэлектрического слоя методом ХМП включительно. Этот цикл повторяют такое число раз, которое необходимо для изготовления требуемого числа проводящих уровней, имеющих воздушные зазоры, а верхний уровень горизонтальных проводников формируют методом нанесения и локального травления проводящего слоя, после чего формируют пассивирующий слой. При этом некоторые проводящие уровни могут и не содержать воздушные зазоры, что достигается формированием на них диэлектрического слоя, заполняющего пространство между проводниками, например, с использованием процесса осаждения в высокоплотной плазме с обратным травлением.
Обычно в топологии проводников, кроме смежных проводников с минимальными зазорами, имеется целый спектр величин зазоров. После осаждения второго диэлектрического слоя сомкнутые воздушные зазоры гарантированно формируются в зазорах между проводниками минимальной ширины. В более широких зазорах смыкание может отсутствовать. При ширине зазоров между проводниками большей, чем минимальная на относительно небольшую величину, смыкание воздушных зазоров будет неустойчивым, с образованием несомкнутых каналов. Это снижает надежность и выход годных изделий, так как через эти каналы в воздушные зазоры могут попасть загрязнения. Чтобы исключить такой эффект, ширина зазоров между проводниками должна быть или минимальной, или такой, чтобы воздушный зазор вообще не смыкался и имел достаточно широкий несомкнутый канал, который может быть или сглажен при ХМП второго диэлектрического слоя, или заполнен специально формируемым диэлектриком. Обычно несомкнутый канал формируется в зазорах между проводниками, превышающих минимальный в 2-4 раза.
В процессе неконформного осаждения второго диэлектрического слоя в широких зазорах между проводниками, по их краю, может образоваться сложный рельеф поверхности с отрицательным клином. Это снижает эффективность проведения процесса ХМП. Для решения данной проблемы второй диэлектрический слой может быть сформирован в несколько стадий, сначала методом неконформного осаждения, до формирования не полностью сомкнутых воздушных зазоров в зазорах между проводниками минимальной ширины, а затем методом одновременного газофазного нанесения и обратного стравливания слоя. Стадии могут многократно повторяться. Прием позволяет сглаживать рельеф поверхности. Кроме того, это сдерживает смыкание воздушных зазоров между близкорасположенными проводниками и позволяет управлять уровнем, на котором происходит смыкание, в том числе по торцам зазоров между проводниками. Завершающая стадия формирования второго диэлектрического слоя может осуществляться методом химического нанесения из раствора (ХНР). В этом случае поверхность структуры перед ХМП является сглаженной, что упрощает процесс ХМП, повышает выход годных и надежность изделий. Широкие зазоры между проводниками будут полностью заполнены диэлектриком. Отсутствие воздушных зазоров в широких зазорах между проводниками не критично с точки зрения величины электрической емкости между ними, так как емкость обратно пропорциональна расстоянию между электродами.
Формирование второго диэлектрического слоя плазмоактивированным газофазным методом, с чередованием стадий неконформного осаждения и стадий осаждения с обратным травлением, с подачей на подложку электрического высокочастотного потенциала, позволяет эффективно управлять скоростью роста слоя на различных участках поверхности и регулировать профиль воздушного зазора, что расширяет технологические возможности, повышает выход годных и надежность изделий.
Дополнительным способом, за счет которого можно управлять уровнем, на котором происходит смыкание воздушных зазоров, является формирование второго диэлектрического слоя путем использования повторяющихся стадий плазмохимического неконформного осаждения из газовой фазы и анизотропного ионно-химического стравливания части осажденного слоя. При этом завершающей стадией может быть неконформное газофазное осаждение. Это позволяет получить сглаженную поверхность второго диэлектрического слоя, уменьшить его толщину, которая должна быть удалена при ХМП второго диэлектрического слоя, и уменьшить вероятность механического повреждения структуры. Появляются дополнительные возможности варьирования толщины остаточного диэлектрического слоя над сомкнутыми воздушными зазорами после ХМП, что улучшает качество изделий и расширяет технологические возможности.
В предлагаемом способе стравливание части первого диэлектрического слоя проводят для того, чтобы снизить верхний уровень воздушных зазоров относительно поверхности вертикальных проводников и обеспечить уровень смыкания воздушных зазоров ниже поверхности вертикальных проводников и выше уровня поверхности горизонтальных проводников. С одной стороны, это обеспечивает отсутствие эффекта вскрытия воздушных зазоров после процесса ХМП второго диэлектрического слоя, а с другой стороны, способствует смыканию воздушных зазоров по торцам смежных проводников.
Для повышения воспроизводимости толщины стравливаемого первого диэлектрического слоя он может формироваться в две стадии, путем нанесения нижнего и верхнего слоев из различных материалов. При этом стравливание части первого диэлектрического слоя над горизонтальными проводниками проводят путем селективного травления верхнего слоя селективно к материалам нижнего слоя и вертикальных проводников. Это повышает выход годных изделий и их надежность. В принципе верхний слой может быть образован любым материалом, обладающим свойством селективного травления.
Предлагаемый способ может быть реализован в варианте, когда не все уровни проводников имеют воздушные зазоры. В маршрут формирования многоуровневых межсоединений могут быть включены циклы изготовления одного или нескольких уровней проводников без воздушных зазоров. В этом случае формирование второго диэлектрического слоя осуществляют, например, с применением процесса газофазного осаждения в высокоплотной плазме с обратным травлением, или с применением технологии ХНР.
Преимуществом предлагаемого способа является увеличение объема воздушных зазоров между близко расположенными смежными проводниками, что уменьшит величину Кэфф и снижает время задержки сигналов в межсоединениях. Способ обеспечивает отсутствие трещин, отверстий и других дефектов в диэлектрической прослойке, остающейся над вершиной воздушного зазора после операции ХМП, а также обеспечивает возможность получения требуемой механической прочности структуры, так как толщина этой прослойки может варьироваться. Кроме того, имеются различные возможности получения оптимального уровня, на котором происходит смыкание второго диэлектрического слоя в верхней области узких зазоров и для его смыкания по торцам смежных проводников с минимальными зазорами. Это также расширяет технологические возможности изготовления структур с оптимальными показателями. Предлагаемый способ позволяет формировать межсоединения на основе алюминия с воздушными зазорами и достичь уровень задержки сигналов, характерный для высокозатратной технологии медной металлизации с заполнением диэлектриком пространства между проводниками.
Используемые в предлагаемом изобретении отдельные операции известны, однако их применение в новой, ранее не используемой совокупности и последовательности обеспечивает достижение поставленной цели, а именно увеличение скорости распространения сигналов в проводниках при расширении технологических возможностей изготовления, повышении выхода годных и надежности изделий. В этом заключается техническая новизна, полезность и изобретательский уровень заявляемого способа.
Для иллюстрации сравнительных преимуществ предлагаемого способа в Таблице представлена последовательность операций по предлагаемому способу, по прототипу, а также по типовому маршруту без воздушных зазоров, широко используемому в производстве. По количеству операций и техническому эффекту предлагаемый способ (две фотолитографии на один уровень проводников, больший объем воздушных зазоров) существенно выигрывает у прототипа (три фотолитографии на один уровень проводников и меньший объем воздушного зазора, вероятность вскрытия воздушного зазора при травлении отверстий под вертикальные проводники) и незначительно сложнее типового процесса без воздушных зазоров и высоким уровнем задержки сигналов. Важным достоинством предлагаемого способа является то, что все используемые в типовом процессе без воздушных зазоров оборудование и материалы используются в предлагаемом способе. Новым и дополнительным является только операция химического нанесения из раствора. В принципе, вместо операции химического нанесения из раствора может использоваться многостадийный процесс формирования второго диэлектрического слоя, например, осаждение с чередованием циклов нанесения и обратного травления, но это может привести к увеличению времени формирования второго диэлектрического слоя, то есть к потере производительности. Новой является операция травления первого диэлектрического и первого проводящего слоев с использованием одной фоторезистивной маски, но она состоит из двух типовых операций.
| Маршруты формирования горизонтальных и вертикальных проводников. | |||
| № п/п | 1. Типовой способ металлизации без воздушных зазоров | 2. Способ металлизации по прототипу | 3. Предлагаемый способ металлизации с воздушными зазорами |
| 1 | Нанесение первого проводящего слоя | Нанесение первого проводящего слоя | Нанесение первого проводящего слоя |
| 2 | Фотолитография 1. Горизонтальные проводники | Фотолитография 1. Горизонтальные проводники | Нанесение первого диэлектрического слоя |
| 3 | Травление первого проводящего слоя | Травление первого проводящего слоя | Фотолитография 1. Отверстия |
| 4 | Нанесение первого диэлектрического слоя с обратным травлением | Нанесение первого диэлектрического слоя | Травление отверстий в диэлектрическом слое |
| 5 | ХМП первого диэлектрического слоя | Фотолитография 2 | Формирование второго проводящего слоя |
| 6 | Нанесение второго диэлектрического слоя | Травление первого диэлектрического слоя | ХМП второго проводящего слоя |
| 7 | Фотолитография 2. Отверстия | Нанесение второго диэлектрического слоя, неконформно | Стравливание части первого диэлектрического слоя |
| 8 | Травление диэлектрического слоя | ХМП второго диэлектрического слоя | Фотолитография 2. Горизонтальные проводники |
| 9 | Формирование второго проводящего слоя | Фотолитография 3. Отверстия | Травление первого диэлектрического и первого проводящего слоев |
| 10 | ХМП второго проводящего слоя | Травление отверстий в диэлектрических слоях | Нанесение второго диэлектрикового слоя, неконформно |
| 11 | Формирование второго проводящего слоя | ХМП второго диэлектрического слоя | |
| 12 | ХМП второго проводящего слоя |
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1-4 представлены основные этапы формирования межсоединений по прототипу (Патент США №6,232,647 B1, H01L 29/00, 15.05.2001 г.).
На Фиг.1 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования на полупроводниковой подложке 1, покрытой диэлектрическим слоем 2, горизонтальных проводников нижнего уровня 3 и нанесения первого диэлектрического слоя 4.
На Фиг.2 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования фоторезистивной маски 5 над горизонтальными проводниками, в областях последующего расположения межуровневых вертикальных проводников и стравливания части первого диэлектрического слоя.
На Фиг.3 представлен схематический разрез структуры по прототипу после удаления фоторезистивной маски и формирования второго диэлектрического слоя 6 с воздушными зазорами 7 между смежными горизонтальными проводниками.
На Фиг.4 представлен схематический разрез структуры по прототипу после локального травления отверстий в диэлектрических слоях над горизонтальными проводниками, формирования второго проводящего слоя, покрывающего поверхность и заполняющего межуровневые отверстия и ХМП второго проводящего слоя до его удаления с поверхности второго диэлектрического слоя, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники 8.
На Фиг.5-9 представлены основные этапы формирования многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с воздушными зазорами по заявляемому способу.
На Фиг.5 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после нанесения на полупроводниковую подложку 1, покрытую диэлектрическим слоем 2 первого проводящего слой 9 и первого диэлектрического слоя 4.
На Фиг.6 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после локального травления межуровневых отверстий в первом диэлектрическом слое, формирования второго проводящего слоя, покрывающего поверхность и заполняющего межуровневые отверстия, ХМП второго проводящего слоя до его удаления с поверхности второго диэлектрического слоя и стравливания части первого диэлектрического слоя селективно к материалу второго проводящего слоя, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники 8, выступающие над поверхностью
На Фиг.7 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования маски с рисунком горизонтальных проводников, локального травления первого диэлектрического слоя и первого проводящего слоя и удаления маски, в результате чего формируются горизонтальные проводники 3, покрытые не стравленной частью первого диэлектрического слоя со встроенными в него вертикальными проводниками 8.
На Фиг.8 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования второго диэлектрического слоя 6 методом неконформного осаждения с воздушными зазорами 7 между смежными проводниками. При этом воздушные зазоры смыкаются на уровне выше поверхности горизонтальных и ниже поверхности вертикальных проводников.
На Фиг.9 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после удаления части второго диэлектрического слоя методом ХМП до вскрытия поверхности 9 вертикальных проводников.
Осуществление изобретения
На полупроводниковую подложку типа КЭФ4,5(100) со сформированными в ней активными и пассивными элементами КМОП структур, покрытую диэлектрическим слоем толщиной 0,6 мкм и имеющую встроенные в диэлектрический слой вертикальные проводники нижнего уровня, наносят первый проводящий слой, состоящий из адгезионной пленки Ti толщиной 0,05 мкм, барьерной пленки TiN толщиной 0,02 мкм и проводящей пленки AlSiCu толщиной 0,45 мкм, где Si и Си являются добавками в слой алюминия. Методом плазмохимического осаждения из газовой смеси на основе моносилана и кислорода наносят первый диэлектрический слой толщиной 0,8 мкм. Формируют маску под травление отверстий для межуровневых вертикальных проводников, локальным травлением во фторсодержащей плазме вытравливают отверстия в первом диэлектрическом слое до первого проводящего слоя и удаляют маску в кислородсодержащей плазме. Формируют вертикальные проводники путем нанесения второго проводящего слоя, состоящего из адгезионной пленки Ti толщиной 0,05 мкм, барьерной пленки TiN толщиной 0,02 мкм и проводящей пленки W толщиной 0,6 мкм газофазным конформным методом и удаления пленок Ti-TiN-W с поверхности первого диэлектрического слоя методом ХМП. Затем стравливают часть первого диэлектрического слоя над горизонтальным проводником селективно к материалу вертикальных проводников до остаточной толщины 0,4 мкм во фторсодержащей плазме на установке реактивного ионно-плазменного травления. Формируют фоторезистивную маску с рисунком горизонтальных проводников с минимальным зазором между проводниками 0,35 мкм, методом реактивного ионно-плазменного травления локально травят первый диэлектрический слой до первого проводящего слоя, а затем первый проводящий слой до диэлектрического слоя, покрывающего подложку, и удаляют маску. В результате формируются горизонтальные проводники, покрытые сверху нестравленной частью первого диэлектрического слоя. При этом в первом проводящем и первом диэлектрическом слоях формируются зазоры, стенки которых образованы боковыми поверхностями смежных горизонтальных проводников, покрытых первым диэлектрическим слоем, а дно образовано диэлектрическим слоем, покрывающим подложку. Затем проводят первый этап формирования второго диэлектрического слоя в три стадии, сначала методом неконформного плазмохимического осаждения диэлектрика из газовой смеси на основе кремний- и кислородсодержащих газов, затем осаждения в высокоплотной плазме с обратным травлением и повторно неконформным методом с общей толщиной 1,5 мкм. При этом в зазорах между горизонтальными проводниками шириной 0,35 мкм образуются воздушные зазоры, смыкающиеся в верхней части выше уровня поверхности горизонтальных проводников на 0,3 мкм. Смыкание воздушных зазоров имеет место также по торцам таких зазоров, в результате чего воздушные зазоры окружены диэлектриком и являются замкнутыми. Затем проводят второй этап формирования второго диэлектрического слоя методом ХНР. Эта часть слоя имеет толщину 0,6 мкм, планарную поверхность, а нижний уровень ее поверхности выше уровня поверхности вертикальных проводников. Для формирования слоя используют раствор типа HSQ, который наносят методом полива и центрифугирования пластины с последующей сушкой и отжигом при температуре 400°C. Затем удаляют часть второго диэлектрического слоя методом ХМП до вскрытия поверхности вертикальных проводников. Далее цикл может быть повторен.
Источники информации
1. Semiconductor Industrial Association. The international technology roadmap for semiconductor. 2003 - SEMATECH, http://public itrs.net/Files/2003 Update/2003 Update.pdf.
2. Samit S. Sengupta; Subhas Bothra, «Integration of a W-plug in an Al-based metallization scheme for 0.25-µm 1C technology», Multilevel Interconnect Technology II, Mart Graef; Divyesh N. Patel, Editors, pp.110-121, 4 September 1998.
3. Патент США № US 6,903,002 В1, H01L 21/4763, 06.07.2005.
4. Электронная промышленность, Российское агентство по системам управления, №4, 2004 г.Изолирующие слои многоуровневой разводки интегральных схем с низкой диэлектрической проницаемостью. В. А. Васильев и др., стр.145-153.
5. Патент США №6,281,585 B1, H01L 23/48, 28.08.2001.
6. Патент США №5,461,003, H01L 24/44, 24.10.1995.
7. Патент США №6,232,647 B1, H01L 29/00, 15.05.2001.
1. Способ изготовления многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с воздушными зазорами, содержащий нанесение на полупроводниковую подложку, покрытую диэлектрическим слоем, со встроенными вертикальными проводниками нижнего уровня, контактирующими с активными и пассивными элементами проводящего слоя, локальное травление проводящего слоя, в результате чего формируются горизонтальные проводники, нанесение диэлектрического слоя, локальное травление отверстий в диэлектрическом слое, нанесение проводящего слоя с заполнением отверстий в диэлектрическом слое, удаление проводящего слоя с поверхности диэлектрического слоя методом химико-механической полировки, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники, неконформное осаждение диэлектрического слоя из газовой фазы с формированием воздушных зазоров между смежными проводниками, повторение циклов формирования проводников, формирование пассивации, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, надежности и выхода годных изделий, а также расширения технологических возможностей изготовления, на полупроводниковую подложку наносят первый проводящий и первый диэлектрический слои, методом локального травления первого диэлектрического слоя формируют в нем межуровневые отверстия, формируют на поверхности второй проводящий слой, заполняющий отверстия в первом диэлектрическом слое, и удаляют часть этого слоя с поверхности первого диэлектрического слоя методом химико-механической полировки, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники, стравливают часть первого диэлектрического слоя селективно к материалу вертикальных проводников, в результате чего вертикальные проводники выступают над поверхностью нестравленной части первого диэлектрического слоя, формируют маску с рисунком горизонтальных проводников, локально травят первый диэлектрический и первый проводящий слои и удаляют фоторезистивную маску, в результате чего формируются горизонтальные проводники, покрытые сверху нестравленной частью первого диэлектрического слоя со встроенными в него вертикальными проводниками и разделяющие горизонтальные проводники зазоры, затем формируют второй диэлектрический слой методом, включающим, по крайней мере, операцию неконформного осаждения диэлектрического слоя из газовой фазы толщиной, обеспечивающей уровень поверхности не ниже поверхности вертикальных проводников, в результате чего в зазорах между смежными проводниками, покрытыми нестравленной частью первого диэлектрического слоя, по крайней мере минимальной ширины формируются сомкнутые воздушные зазоры, причем смыкание в верхней части зазоров имеет место на уровне ниже поверхности вертикальных и выше поверхности горизонтальных проводников, а также по торцам зазоров между проводниками, затем проводят удаление верхней части второго диэлектрического слоя методом химико-механической полировки до вскрытия поверхности вертикальных проводников, после чего повторяют цикл формирования следующего уровня горизонтальных и вертикальных проводников, начиная с операции нанесения первого проводящего слоя и заканчивая операцией удаления части второго диэлектрического слоя, причем цикл повторяют до формирования заданного числа проводящих уровней, в которые вводятся воздушные зазоры, при этом некоторые проводящие уровни могут и не содержать воздушные зазоры, а верхний уровень горизонтальных проводников формируют методом нанесения и локального травления проводящего слоя, после чего формируют пассивирующий слой.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зазоры, разделяющие смежные горизонтальные проводники, формируют или минимальной ширины, или ширины не менее удвоенной минимальной, а торцевые участки проводников с минимальными зазорами отстоят от противоположных ортогонально расположенных проводников или на минимальном расстоянии, или на расстоянии не менее удвоенного.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование второго диэлектрического слоя включает чередование стадий неконформного газофазного осаждения на установке с диодной системой возбуждения плазмы или на установке высокоплотной плазмы без подачи на подложку электрического высокочастотного потенциала и стадий осаждения с подачей на подложку электрического высокочастотного потенциала, что обеспечивает одновременное осаждение и обратное травление осаждаемого слоя с преобладанием осаждения.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование второго диэлектрического слоя включает чередование стадий плазмохимического неконформного осаждения пленки из плазмоактивированной газовой фазы и стадий анизотропного ионно-химического стравливания части осажденной пленки и финишную стадию неконформного газофазного осаждения.
5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что формирование второго диэлектрического слоя завершают нанесением диэлектрического слоя из жидкой фазы методом химического нанесения из раствора.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый диэлектрический слой формируют в две стадии путем нанесения нижнего и верхнего слоев из различных материалов, а стравливание верхней части первого диэлектрического слоя проводят путем селективного по отношению к материалам нижнего слоя и вертикальных проводников травления.
