Способ изготовления двухуровневой металлизации

 

Использование: изобретение относится к микроэлектронике. Сущность изобретения: способ включает формирование активных элементов структур с первым уровнем металлизации, нанесение межуровневого диэлектрика, травление контактных окон, формирование второго уровня металлизации, при этом на первый уровень наносят слой двуокиси кремния при низкой температуре и пониженном давлении. Затем наносят фоторезист и формируют в нем контактные окна, проводят анизотропное травление по всей поверхности с одинаковыми скоростями. 5 ил. 1 табл.

Изобретение относится к микроэлектронике и касается изготовления МДП БИС с несколькими уровнями разводки.

Известны способы изготовления МДП БИС, в которых для создания качественной поликремниевой и металлизированной разводки используют выравнивание или сглаживание поверхности (планаризации) перед формированием металлизированных разводок.

Для выравнивания поверхности структуры со сформированным первым уровнем металлизации на эту поверхность наносят различные диэлектрические слои, например пленку ФСС и слой фоторезиста, удаляют слой фоторезиста и выступающие участки слоя ФСС, затем наносят второй слой фоторезиста, вскрывают контактные окна и формируют верхний уровень разводки [1].

Из известных способов наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления многоуровневой разводки [2] , который заключается в следующем.

На полупроводниковой подложке создают активные элементы схем, изоляционный слой, контактные отверстия в нем и формируют первый уровень проводников заданной конфигурации, имеющих вертикальные боковые стенки.

На поверхность структуры осаждают пиролитическую двуокись кремния (SiО₂), толщиной ≈ 1,0 мкм, покрывают ее резистом примерно такой же толщины и формируют в фоторезисте геометрию контактных окон.

Затем методом плазменного травления ионами Ar с ускоряющим напряжением Е= 1 кэВ и полностью тока j=0,85 мА см^-2 удаляют изолирующий слой SiО₂ в контактных окнах и слой фоторезиста по всей поверхности с примерно одинаковой скоростью (V_тр SiО₂ = =2,5 мкм/ч, V_тр фоторезиста ≈ 2,3 мкм/ч.

После окончания травления SiО₂ контакты имеют сглаженные кромки и ступеньки ФСС над нижним слоем металла ликвидируется из-за равенства скоростей травления SiО₂ и фоторезиста. Кроме того, вскрытый нижний металл подвергается ионно-лучевой обработке ионами газа и изменяется его контактное сопротивление. Затем напыляют второй слой металла и формируют верхний уровень металлизации.

Основные недостатки данного способа: при осаждении пиролитической двуокиси кремния толщиной 1,0 мкм на структуру с первым уровнем металла толщиной 0,5-0,6 мкм, имеющую вертикальные боковые стенки, профиль двуокиси кремния характеризуется острым углом входа и приводит к некачественному заполнению изоляционным слоем нижних участков поверхности вблизи крутых ступенек первого уровня металлизации, что приведет к ухудшению качества последующего уровня металлизации; маловероятно и проблематично сглаживание кромки (т.е. ликвидации ступеньки) пиролитической SiО₂, расположенной между краем шины первого уровня металлизации и контактом к металлу, так как при разной ширине шины первого металла ширинa этой кромки будет различной; наблюдается большая плотность холмиков роста на первом уровне металла, которые пронизывают пленку SiО₂ (к тому же очень тонкую) и приводят к "закорачиванию" верхнего и нижнего уровней металлизации.

Применение методов травления межуровневого диэлектрика с использованием заряженных ионов крайне нежелательно при изготовлении МДП БИС, так как высокоэнергетичные обработки заряженными ионами приводят к пробою подзатворного окисла и увеличивают дрейф пороговых напряжений из-за зарядовой нестабильности.

Целью изобретения является повышение качества и надежности металлизации за счет планаризации поверхности, уменьшения плотности дефектов и устранения замыканий между уровнями металлизации.

Цель достигается тем, что в способе изготовления двухуровневой металлизации, включающем формирование на полупроводниковой подложке активных элементов структуры с первым нижним уровнем металлизированной разводки, нанесение межуровневого диэлектрика, травления контактных "окон" и формирования второго (верхнего) уровня металлизации, на структуру с первым уровнем металлизации последовательно наносят слой двуокиси кремния при низкой температуре, например слой плазмохимического окисла (ПХО) толщиной d=0,2-0,5 мкм, слой фосфорно-силикатного стекла (ФСС) с содержанием фосфора С_р=4,0 ±0,5%(мас) толщиной d = 1,5-1,8 мкм при пониженном давлении и слой фоторезиста стандартной толщины (≈ 1,0 мкм), формируют в нем топологический рисунок контактных окон, проводят анизотропное травление слоев фоторезиста и ФСС по всей поверхности с одинаковыми скоростями до полного стравливания слоя фоторезиста и формирования контактных окон в двухслойном диэлектрике в локализованной плазме фторсодержащих газов, например, в газовой смеси хладона - 14 (СF₄) с 25-35% кислорода в реакторе диодного типа мощностью 400-600 Вт и рабочем давлении смеси 60-80Па.

Нанесение при пониженной (Т ≅200^оС) температуре слоя двуокиси кремния, например плазмохимического окисла толщиной d=0,2-0,5 мкм является существенным признаком, так как в его отсутствие достаточно проблематично избежать появления на металлических шинах холмиков роста.

Наличие этого признака позволяет сформировать на алюминиевых шинах первого уровня металлизации изоляционную пленку, повторяющую рельеф первого уровня металлизации, которая предотвращает появление холмиков роста на алюминиевых шинах.

Оптимальная толщина пленки SiО₂ находится в пределах d=0,2-0,5 мкм, так как если она будет тоньше d<0,2 мкм, то из-за пористости рост шипов не предотвращается, а если будет толще d>0,5 мкм, то возрастает вероятность потери его изоляционных свойств из-за растрескивания. Кроме того, при этом будет ухудшаться рельеф поверхности.

Нанесение при пониженном давлении слоя ФСС, содержащего 4,0 ± 0,5% (мас) фосфора толщиной d = 1,5 - 1,8 мкм, является существенным признаком, так как в его отсутствие невозможно получить планарную поверхность.

Наличие этого признака позволяет сформировать толстый двухслойный межуровневый диэлектрик, профиль которого характеризуется большим углом входа ( δ ≥ 110-130^о) не зависит от крутизны и радиуса скругления верхней части ступеньки рельефа и обеспечивает планаризацию поверхности при существенном уменьшении плотности холмиков роста на шинах первого уровня металлизации.

Оптимальная толщина слоя ФСС находится в пределах d=1,5-1,8 мкм, так как если толщина будет меньше, чем 1,5 мкм, то профиль этого слоя будет характеризоваться острым углом входа (δ ≈ 80-90^о).

Увеличение толщины ФСС более чем 1,8 мкм приведет к излишнему увеличению общей толщины межуровневого диэлектрика, что увеличит вероятность его растрескивания.

Оптимальная концентрация фосфора в ФСС 4,0 ± 0,5% (мас), так как, если фосфора будет меньше чем 3,5%, то диэлектрик не будет устойчивым к растрескиванию и не будет обладать стабильностью зарядовых свойств. Если же фосфора будет больше 4,5%, то наблюдается коррозия алюминиевых межсоединений за счет образования фосфорной кислоты, источником появления которой является избыточный фосфор в ФСС.

Нанесение ФСС при пониженном давлении более предпочтительно, так как в этом случае с ростом толщины ФСС в указанных пределах увеличивается степень сглаживания рельефа в то время, как при осаждении ФСС при атмосферном давлении с ростом толщины степень сглаживания может даже ухудшаться.

Указанный признак является новым, так как в известных способах не используется пиролитическое нанесение слоя ФСС толщиной d=1,5-2,0 мкм на слой SiО₂ толщиной d=0,2-0,5 мкм с целью планаризации поверхности структуры.

Нанесение слоя фоторезиста стандартной ( ≈ 1,0 мкм) толщины и формирование в нем контактных окон являются существенным признаком, так как в его отсутствие невозможно одновременно формирование планарной структуры межуровневого двухслойного диэлектрика нужной (d = 1,0 мкм) толщины и контактных окон к нижнему уровню металлизации в едином технологическом цикле.

Наличие этого признака позволяет существенно упростить формирование межуровневого диэлектрика с планарной структурой с одновременным созданием контактных окон.

Новизна указанного признака заключается в том, что в отличие от известных способов фоторезист наносится на еще не полностью сформированный межуровневый диэлектрик.

Анизотропное травление слоев фоторезиста и межуровневого диэлектрика по всей поверхности с примерно одинаковыми скоростями до полного стравливания фоторезиста и формирования контактных окон в оставшемся диэлектрике в локализованной плазме фторсодержащих газов, например в газовой смеси хладона - 14 с 25-35% кислорода при емкостном возбуждении ВЧ-разряда с W = 400-600 Вт (уд. мощность W_уд = =0,5-0,7 Вт˙ см^-2) и рабочем давлении смеси Р=60-80 Па является существенным признаком, так как в его отсутствие невозможно получить планаризированный межуровневый диэлектрик стандартной толщины с контактными окнами к нижележащим проводникам.

Наличие этого признака позволяет получить общепринятую толщину межуровневого двуслойного диэлектрика, профиль которого характеризуется большим углом входа ( δ ≈ 120-130^о), скруглением нижних участков диэлектрика вблизи ступенек, хорошим равномерным заполнением углублений, и обеспечить планаризацию поверхности с развитым рельефом и одновременно сформировать контактные окна к нижнему уровню металлизации.

Оптимальной общепринятой толщиной, до которой стравливается утолщенный двуслойный диэлектрик, является толщина d=0,9-1,1 мкм над шинами первого уровня металла, так как при меньшей толщине ухудшается надежность изоляции между двумя уровнями металлизации, а при большей толщине увеличивается вероятность растрескивания двухслойного межуровневого диэлектрика и обрывов второго уровня металлизации толщиной (d=1,1-1,3 мкм) в местах контактов.

Оптимальный режим плазмохимического травления определяется с учетом одновременного анизотропного травления с примерно одинаковыми скоростями слоя фоторезиста со сформированной геометрией контактных окон и утолщенного межуровневого двухслойного диэлектрика с одновременным созданием в нем контактных окон к нижнему уровню металлизации.

Слой фоторезиста в процессе травления удаляется полностью, и частично удаляется межуровневый диэлектрик над ступеньками рельефа, чем и достигается планаризация.

Если О₂ в смеси будет больше 35%, то уменьшится скорость травления ФСС (до 50 нм/мин) и одновременно резко возрастает скорость травления фоторезиста (до 800 нм/мин) и возможна полная деградация маски при невытравленных контактах и растравливание последних.

Если О₂ в смеси будет меньше 25%, то увеличивается контактное сопротивление Me_I-Me_II из-за частичного полимерообразования на первом уровне металлизации, что является недопустимым при формировании контактных окон в диэлектрике.

В случае уменьшения мощности ВЧ-разряда до W < 400 Вт уменьшается скорость травления ФСС до неприемлемо низкого уровня (V_тр ≈ 100 нм/мин).

Если мощность ВЧ-разряда будет больше Р>600 Вт, то возрастет количество радиационных повреждений структуры, а также увеличивается скорость травления фоторезиста (до 600 нм/мин).

Если Р<60 Па или Р>80 Па, то в обоих случаях наблюдается резкое уменьшение скорости травления диэлектриков (ФСС) и возрастет неравномерность травления фоторезиста и диэлектрического слоя.

Этот признак является новым, так как в известных способах не используется одновременное анизотропное травление с примерно одинаковыми скоростями слоя фоторезиста со сформированной геометрией контактных окон и утолщенного двухслойного межуровневого диэлектрика с одновременным созданием в нем контактных окон к нижнему уровню металлизации.

Ввиду того, что у заявляемого способа появляются новые свойства, не совпадающие со свойствами известных технических решений, в том числе последовательное нанесение слоя двуокиси кремния при низкой температуре толщиной d=0,2-0,5 мкм и слоя фосфорно-силикатного стекла толщиной d=1,5-1,8 мкм при пониженном давлении, нанесение фоторезиста на этот утолщенный двухслойный межуровневый диэлектрик и формирование геометрии контактных окон, проведение анизотропного травления фоторезиста и диэлектрика примерно одинаковыми скоростями в локализованной плазме фторсодержащих газов, например хладона-14 до полного стравливания фоторезиста и формирования контактных окон в двухслойном межуровневом диэлектрике, можно сделать вывод о том, что заявляемый способ обладает существенными отличиями.

На фиг.1 показана структура после формирования на кремниевой подложке 1 р-типа активных элементов, изоляционных слоев и первого уровня металлизации, где 2 - полевой окисел, 3 - подзатворный окисел, 4 - сток-истоковые n+области, 5 - поликремниевые затворы, 6 - изоляционный слой ФСС, 7 - первый уровень металлизации; на фиг.2 - структура после низкотемпературного нанесения слоя 9 SiО₂ толщиной d=0,2-0,5 мкм и слоя 9 ФСС толщиной d=1,5-1,2 мкм; на фиг.3 - структура после нанесения слоя фоторезиста 10 стандартной толщины формирования в нем геометрии контактных окон к нижнему уровню металлизации (размер контактного окна на фотокопии L); на фиг.4 - структура после анизотропного травления с примерно одинаковыми скоростями травления слоя фоторезиста со сформированной в нем геометрией контактных окон и утолщенного двухслойного межуровневого диэлектрика с одновременным созданием в нем контактных окон к нижнему уровню металлизации, где 11 - остаточный слой ФСС; на фиг. 5 - структура после формирования второго уровня металлизации 12.

В конкретном примере использовались кремниевые подложки 1 типа КДБ-45 < 100>, на которых с использованием маски нитрида кремния проводят противоинверсионное легирование и на установке "Термоком" выращивают слой 2 полевого окисла толщиной порядка 1 мкм. После удаления маски на подложке выращивается промежуточный окисел, проводят процессы ионной имплантации для регулирования пороговых напряжений, удаляют окисел и выращивают подзатворный окисел 3 толщиной d=425 ± 25 . Затем на установке "Лада 214/217" наносят слой поликремния, легируют его фосфором и формируют поликремниевые затворы 5.

Имплантацией ионов мышьяка с Е=100 кэВ и D=1000 мкКл ˙см^-2 с последующим окислением при Т=950^оС легируют сток-истоковые области 4 n-канального транзистора. Затем наносят слой 6 ФСС, содержащий 8-10% фосфора, толщиной d= 0,9 мкм и оплавляют его при Т = 1000^оС и t = 20 мин в кислороде и в нем формируются контактные окна к схемным элементам структуры. Напыляют на установке "Магна" или "Оратория - 5" пленку Al-1%Si толщиной d=0,6 мкм и с помощью фоторезистивной маски на установке "Плазма НД-125 ПМ" в плазме газов ССl₄ + N₂ формируют рисунок нижнего уровня металлизированной разводки 7, снимают фоторезист в О₂плазме и удаляют кремниевую крошку.

На установке УВП-2М при температуре Т ≈ 200^оС наносят слой 8 плазмохимического окисла толщиной d = 0,2-0,5 мкм.

Далее на установке "Изотроп-3" при пониженном давлении пиролитически осаждают слой 9 ФСС с содержанием фосфора С_р = 4,0 ±0,5% (мас) толщиной 1,5-1,8 мкм. На этот слой 10 наносят фоторезист стандартной (d ≈1 мкм) толщины и методом фотолитографии формируют в нем геометрию контактных окон размером 2х2 мкм (фотокопия).

После этого на установке "Плазма - НД125" в локализованной плазме хладона - 14 и 25-35% кислорода и рабочем давлении смеси 60-80 Па при емкостном возбуждении ВЧ-разряда с W=400-600 Вт проводят анизотропное травление слоев фоторезиста и ФСС по всей поверхности с одинаковыми скоростями до полного стравливания фоторезиста и окончательного формирования контактных окон в оставшемся слое диэлектрика к нижнему уровню металлизации.

В результате этого травления образуется утоненный слой 11 ФСС со сформированными контактными окнами в двухслойном межуровневом диэлектрике, причем угол входа ( σ ≈ 120-130^оС) этого оставшегося слоя стандартной (d ≈ 0,9-1,1 мкм) толщины не меняется по сравнению с первоначальным толстым диэлектриком. Кроме того, из-за равенства скоростей травления фоторезиста и ФСС также существенно сглаживается рельеф этого слоя.

Эти два фактора приводят к почти полной планаризации рельефа поверхности структуры.

После химической обработки пластин напыляют пленку Al 1%Si толщиной d = 1,1-1,3 мкм и формируют верхний уровень металлизации 12. Проводят вжигание Al при Т=475^оС и наносят пассивирующее покрытие, состоящее из пленки ФСС d= 0,6 мкм и пленки SiO₂ d = 0,4 мкм.

В таблице представлена зависимость степени планаризации (отношение толщины диэлектрика на горизонтальных поверхностях металлических ступенек d к толщине слоя ФСС на вертикальных гранях тех же ступенек h) и угол входа пленки ФСС на ступеньке рельефа σ от толщины двухслойного межуровневого диэлектрика (изменяется только толщина слоя ФСС, а толщина слоя SiО₂ постоянная d=0,4 мкм).

Анализ данных таблицы показывает, что при увеличении толщины межуровневого диэлектрика (по сути увеличение толщины ФСС) степень сглаживания рельефа возрастает, т.е. увеличиваются отношение d/h и угол входа σ , но при толщине большей 2,2-2,4 мкм дальнейшего сглаживания поверхности не происходит и в то же время в диэлектрике появляются трещины.

Предлагаемый способ позволяет получить достаточно высокую степень планаризации поверхности структуры с первым уровнем металлизации, существенно снизить вероятность замыкания между двумя уровнями металлизации за счет уменьшения плотности холмиков роста на алюминиевых шинах, устранить зарядовую нестабильность МОП-структур, минимизировать контактные сопротивления двух уровней металлизации и упростить существующую технологию формирования надежной двухуровневой металлизации.

Применение этого способа позволило оптимизировать технологию и изготовить серию МДП БИС для высокопроизводительных микроЭВМ и ПЭВМ, в том числе СБИС 32-разрядного однокристального микропроцессора с диспетчером памяти.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДВУХУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ, включающий формирование на полупроводниковой подложке активных элементов структуры с первым уровнем металлизированной разводки, нанесение межуровневого диэлектрика, травление диэлектрика в контактных окнах и фоторезистивной маски с одинаковой скоростью и формирование второго уровня металлизации, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и надежности металлизации за счет планаризации поверхности, уменьшения плотности дефектов и устранения замыканий между уровнями металлизации, на структуру с первым уровнем металлизации последовательно наносят при низкой температуре слой плазмохимического окисла толщиной 0,2 - 0,5 мкм и слой фосфорно-силикатного стекла с содержанием фосфора 4,0 ± 0,5 мас.% толщиной 1,5 - 1,8 мкм при пониженном давлении, наносят слой фоторезиста и формируют в нем топологический рисунок контактных окон, проводят анизотропное травление слоев фоторезиста и межуровневого диэлектрика по всей поверхности с одинаковыми скоростями до полного стравливания фоторезиста и формирования контактных окон в двухслойном межуровневом диэлектрике в локализованной плазме смеси хладона-14 с 25 - 35% кислорода мощностью ВЧ-разряда 400 - 600 Вт и рабочим давлением смеси 60 - 80 Па.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6