10.6. Интеграция процессов металлизации

Маршрут формирования металлизации в микросхемах с субмикронными размерами элементов существенно отличается от аналогичного маршрута в микросхемах с микронными размерами элементов. Совокупность требований функциональности, совместимости процессов и надежности изделий не удается обеспечить только технологическими методами. Необходимы серьезные конструктивные изменения, определяющие правила проектирования электрических соединений.

Отметим основные проблемы, возникающие в процессе создания многоуровневой системы электрических соединений:

1) теневой эффект на рельефе физической структуры, приводящий к обрыву металлических проводников;

2) термомеханические напряжения в изолирующем диэлектрике, приводящие к появлению трещин;

3) радиационные дефекты в физической структуре полупроводниковых приборов, возникающие под воздействием рентгеновского, электронного и ионного излучений технологических установок;

4) «антенный» эффект, состоящий в деградации подзатворного диэлектрика МОП - транзистора под воздействием тока плазменного разряда в процессах травления металла и осаждения диэлектриков;

5) электромагнитный эффект, возникающий в длинных проводниках, при обработке пластин в мощных высокочастотных плазменных установках. Наведенная электромагнитным полем электродвижущая сила способна вызвать пробой и деградацию подзатворного диэлектрика в МОП - транзисторе.

Рельеф в структуре электрических соединений возникает в двух процессах: при травлении переходных контактных окон в изолирующем диэлектрике между уровнями металлизации и при формировании металлических проводников.

Контактные окна травятся анизотропно с вертикальными стенками. Глубина окна примерно вдвое больше диаметра. Все окна одинакового минимального размера. Окно заполняется металлом в процессе изотропного пиролитического или плазмохимического осаждения. При толщине пленки более половины диаметра окна его стенки смыкаются, а поверхность пластин становится почти ровной. Изотропно осаждаются только пленки тугоплавких металлов. Такие пленки напряжены и растрескиваются при толщине более 0,30,4 мкм. Таким образом, максимальный диаметр переходного окна – 0,40,5 мкм.

Для борьбы с теневым эффектом в маршруте предусмотрены процессы планаризации структуры. Ключевой процесс планаризации – химико - механическая полировка (ХМП). В ХМП используется травящий раствор сложного состава. Травление в таком растворе идет очень медленно, так как продукты реакции пассивируют поверхность пластины. Для ускорения реакции пассивирующая пленка удаляется с поверхности пластины мягким вращающимся диском из синтетического материала. Естественно, выступающие части рельефа очищаются и травятся быстрее. Если со структуры удаляется слой больше, чем максимальная высота элементов рельефа, то поверхность пластины становится гладкой и ровной.

Возможны два варианта планаризации структуры. В первом варианте изотропно осаждается слой изолирующего диэлектрика избыточной толщины. Рельеф проводников частично переносится на поверхность диэлектрика. Далее рельеф убирается с использованием ХМП (рис. 10.2, а). Во втором варианте в планарном диэлектрике травятся углубления в местах размещения проводников. Металл наносится анизотропно на всю поверхность пластины, а затем удаляется ХМП со всех планарных участков. Металл остается в углублениях, заполняя их до поверхности диэлектрика (рис. 10.2, б). Выбор варианта планаризации определяется требованиями к интеграции других технологических процессов.

а)

б)

Рис.10.2. ХМП - рельефы в диэлектрике (а) и металле (б):

1 – граница SiO₂ после осаждения; 2 – граница SiO₂ после ХМП;

3 – граница металла после осаждения; 4 – граница металла после ХМП

Суммарная толщина изолирующего диэлектрика при 68 уровнях электрических соединений достигает 1215 мкм. Термомеханические напряжения в диэлектрике могут вызвать разрушение изолирующего слоя (трещины). Для снижения напряжений в слои металлов вводятся фиктивные проводники, покрывающие все свободные места на кристалле. Изолирующие зазоры между проводниками имеют субмикронные размеры. Сплошные диэлектрические слои связаны между собой только разреженной сеткой зазоров между проводниками. Термомеханические напряжения не передаются из одного диэлектрического слоя в другой.

Процессы имплантации, электронной литографии и плазмохимии сопровождаются ионизирующими излучениями, которые вызывают структурные дефекты в кремнии и покрывающих диэлектриках. Для устранения дефектов проводится отжиг структур в форминг - газе (10%H₂+90%N₂) при температуре 450С. При имплантации ионов с низкими энергиями заряд в диэлектрике может влиять на распределение внедренной примеси. Заряд накапливается в маскирующем слое вместе с внедренными ионами. Для компенсации заряда положительных ионов пластина в процессе обработки дополнительно облучается компенсирующим пучком электронов с низкой энергией.

«Антенный» эффект состоит в повреждении тонкого подзатворного диэлектрика МОП - транзистора при протекании тока плазменного разряда. Критичные процессы: травление металла, удаление фоторезиста, осаждение диэлектрика. В плазменном процессе p–n - переходы нагреты до температуры несколько сотен градусов и облучаются светом от разряда. Проводимость их достаточна для стекания разрядного тока в подложку. Сопротивление диэлектриков остается очень высоким и напряжение на изолированных проводниках может достигать нескольких сотен вольт. Если изолированный проводник соединен с затвором, то разрядный ток вызовет туннельный пробой подзатворного диэлектрика. Опасной является величина туннельного тока, которая определяется размерами подключенного к затвору проводника. При травлении металла проводник закрыт резистом и критичной является длина его периметра. При травлении резиста и осаждении диэлектрика плазменные заряды собирает вся площадь проводника.

Для борьбы с «антенным» эффектом необходим целый комплекс мероприятий:

• оптимизация технологического процесса и ограничение мощности плазменного разряда;

• ограничение размеров МОП - транзисторов;

• исключение поликремниевых проводников, подключенных непосредственно к затвору;

• перенос проводников, подключенных к затвору, в верхние слои металлизации;

• введение в структуру микросхемы дополнительных защитных диодов, подключенных к затворам МОП - транзистора;

• автоматический контроль конструктивных ограничений, связанных с «антенным» эффектом, осуществляемый средствами САПР.

Длинные проводники, подключенные к затвору, могут быть защищены диодами от плазменных токов. Однако диоды могут быть размещены далеко от затворов, а их пробивное напряжение много больше, чем у подзатворного диэлектрика. В этом случае на затвор действует электродвижущая сила, наведенная переменным электромагнитным полем плазменного реактора. Средства САПР должны выявлять опасные проводники, экранировать их цепями питания, переносить части проводников в верхние уровни металлизации и контролировать размещение защитных диодов.

Состав конструктивно-технологических ограничений для системы металлизации непосредственно связан с набором используемых технологических процессов и режимами обработки пластин. Сечение типовой структуры электрических соединений для КМОП - микросхем с субмикронными размерами показано на рис. 10.3.

Таблица 10.1