автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня

На правах рукописи

Климовицкий Анатолий Григорьевич

РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ СБИС СУБМИКРОННОГО УРОВНЯ

Специальность: 05.27.06-технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре МПТЭ в Московском государственном институте электронной техники (технический университет)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Мочалов Алексей Иванович Официальные оппоненты:

1. Шевяков Василий Иванович -доктор технических наук, профессор.

2. Дягилев Владимир Николаевич -кандидат технических наук.

Ведущая организация: ФГУП «НИИФП им. Ф.ВЛукина»

2004 г. в^'часов на

Защита диссертации состоится ■¿Я" заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Московском государственном институте электронной техники (технический

университет).

Адрес института: 124498, Москва, К-498, Зеленоград, МИЭТ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан /Г 2004 года.

Соискатель Климовицкий А.Г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор _

1 ¿^Коледов Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

На всём протяжении развития микроэлектроники основной тенденцией было и остаётся снижение размеров элементов. Современная система металлизации (СМ) представляет собой сложную структуру, состоящую из слоев различного функционального назначения и нескольких уровней (до 15) межсоединений. Развитие в этой области сопровождалось переходом материала межсоединений от А1 на Си, что было обусловлено стремлением к увеличению быстродействия приборов ИС и повышению их стабильности СМ в процессе эксплуатации. Эта замена потребовала коренного изменения в технологии формирования межсоединений и разработки технологии Damascene, которая основана на вытравливании в изолирующем материале канавок и их последующем заполнении медью. Высокое аспектное соотношение и малый размер углублений, которые необходимо заполнять медью, привели к необходимости использования новых методов осаждения, в частности электрохимического осаждения. На сегодняшний день начато освоение нанометровой области, и уже в ближайшем будущем существующая технология может столкнуться с проблемой беспустотного заполнения, которая связана с различием в скорости осаждения меди на поверхности и внутри углубления.

Другой проблемой перехода к медным межсоединениям в совокупности с тенденцией к уменьшению размеров является большая диффузионная подвижность Си в различных материалах. Это вынуждает окружать медные межсоединения со всех сторон диффузионно-барьерным слоем (ДБС). Поскольку уменьшение размеров пробора приводит к утонению ДБС, то проблема эффективного блокирования диффузии меди в другие слои и области ИС обостряется. В результате возникает необходимость поиска новых стабильных барьерных материалов. Проблемы с разработкой ДБС связаны с отсутствием научно-обоснованной методики выбора барьерного материала для конкретных практических задач. Анализ литературных данных указывает на то, что в большинстве случаев разработка материалов для ДБС велась чисто эмпирическим путём.

О недостаточной надёжности существующей технологии производства медной СМ говорит тот факт, что СБИС, выполненные по заказу Минобороны США, в настоящее время изготавливаются по технологическим нормам не менее 0.35 мкм с алюминиевой металлизацией*, в то время как достигнутые технологические нормы с медными межсоединениями составляют 0,09 мкм.

»•ОС НлЦ«Щ».ЧЛЬКАС

В связи с вышеизложенным, разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня является актуальной темой.

* - Жорес Алферов. О состоянии и перспективах развитиях полупроводниковой электроники в России. —Доклад в Государственной Думе ФСРФ, 20.05.04.

http://www.cnews.ru/newcom/index.shtml72004/05/31/159471.

Цель работы

Основной целью настоящей работы является разработка нового подхода к формированию межсоединений СБИС субмикронного размера. Исходя из этого, конкретные задачи данной работы состояли в следующем:

- Разработка и исследование нового процесса заполнения узких углублений субмикронного размера, упрощающего формирование ПС по технологии Damascene.

- Разработка и исследование нового стабильного в широком диапазоне температур ДБС для медной СМ.

Научная новизна работы

1) Предложены принципы построения стабильной многоуровневой СМ, в основе которых лежат критерии выбора материала для ДБС, совместимого по основным признакам с остальными слоями металлизации.

2) Произведен научно-обоснованный выбор нового барьерного материала Ta-W-N. Изучены его электрофизические, механические и адгезионные свойства. Исследована стабильность ДБС Ta-W-N в составе различных многослойных систем. Показана высокая эффективность барьерных свойств предложенного материала.

3) Обнаружено снижение температуры плавления плёнок Си на поверхности сплава Ta-W-N в зависимости от их толщины. Установлено, что плавление сопровождается процессом изменения формы плёнки. Изучены стадии этого процесса и предложен описывающий его механизм.

4) Предложен новый подход к формированию медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, основанный на изученном эффекте низкотемпературного плавления плёнки Си, сопровождающийся процессом изменения её формы. Обоснована необходимость и описаны требования к свойствам смачивающего слоя для реализации этого процесса.

Практическая значимость работы

1) Разработаны критерии выбора, которые позволяют разрабатывать новые материалы диффузионно-барьерных слоев.

2) Разработан новый универсальный стабильный ДБС состоящий из Ta-W-N, и показана возможность его использования в технологии изготовления СБИС.

3) Разработан новый стабильный ДБС Ta-W-N/TiN для СМ с медными межсоединениями и показана возможность его изготовления с использованием процесса самоформирования КС CoSi2.

4) Разработан новый способ формирования медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, использующий эффект низкотемпературного плавления тонких плёнок.

Научные положения, выносимые на защиту

1) Критерии выбора диффузионно-барьерного материала.

2) Выбор состава и условий формирования сплава Ta-W-N для ДБС алюминиевой и медной СМ с использованием предложенных критериев.

3) Механизм процесса плавления тонкой плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N сопровождающийся её диспергированием на капли.

4) Подход к формированию медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, основанный на эффекте низкотемпературного плавления плёнки Си на поверхности сплава Ta-W-N, сопровождающегося процессом изменения формы.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика -2001" (Зеленоград, 18-19 апреля, 2001 г.).

2) Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и нано- электроника - 2001" с участием зарубежных учёных (г. Звенигород, пансионат "Липки", 1-5 октября, 2001 г.).

3) Первая всероссийская конференция молодых учёных по физическому материаловедению (г. Калуга, 4-7 октября, 2001г.).

4) Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002" (г. Зеленоград, 18-19 апреля, 2002 г.).

5) IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2002" (г.Зеленоград, 19-21 ноября, 2002г.).

6) Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2003» (г. Москва, 18-19 апреля, 2003 г.) (два доклада).

7) International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" (Russia, Zvenigorod, October 6-10, 2003).

Всего по теме работы опубликовано 15 печатных работ и подано 2 заявки на патент, на одну из них к моменту рассылки автореферата получено положительное решение.

Публикации

По теме работы опубликовано 15 печатных работ и подано 2 заявки на патент, на одну из них к моменту рассылки автореферата получено положительное решение.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографии, включающей 101 наименование, содержит 139 страниц, в том числе 46 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований. Сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 проведён аналитический обзор литературных данных с целью постановки задач и поиска путей их решения.

Рассмотрены современные технологии формирования многоуровневой металлизации с медным и алюминиевым ПС. Показано, что для формирования медной СМ с проектными нормами менее 0.18 мкм перспективными являются технологии Damascene (Dual и Triple Damascene). В качестве барьерного материала для медной СМ преимущественно используется поликристаллический TaN, который не удовлетворяет требованиям к надёжности для его применения на первом уровне. Поэтому для контакта к КС и активной области прибора дополнительно используется вольфрамовая пробка.

Далее в работе проведена классификация современных материалов для изготовления ДБС. В соответствии с тремя существующими классами (пассивные, реактивные (расходуемые) и «заполненные») проанализированы параметры и методы осаждения барьерных материалов. Однако материал ДБС нужно рассматривать в составе структуры СМ, учитывая его взаимодействие с другими слоями. Поэтому эта классификация была уточнена с использованием физико-химического анализа причин деградации гетерогенных систем. Показано, что, исходя из наиболее общих принципов стабильности многослойных систем, существует два фактора, определяющих процесс деградации СМ:

- Термодинамический фактор, существующий при любой температуре отличной от 0 К. Он определяется движущими силами, вызванными градиентом концентрации компонентов, и тенденцией к химическому взаимодействию. В пределах технологических режимов изготовления и эксплуатации СМ температурная зависимость изменения этих движущих сил относительно мала.

- Кинетический фактор, лимитирующий скорость взаимодействия компонентов системы под действием термодинамического фактора. В первую очередь он зависит от скорости диффузии атомов и экспоненциально зависит от температуры.

Таким образом, пассивный барьер можно расценивать как материал, в котором минимизирован термодинамический фактор и мала тенденция к химическому взаимодействию. Заполненный барьер можно расценивать как материал, в котором выгода в энергии Гиббса (AG) при протекании взаимодействия с контактирующими с ним материалами погашается за счёт образования нового пассивного барьера. В «Заполненном» барьерном материале, в отличие от остальных, реализованы максимальные кинетические ограничения.

Используя такой анализ процесса деградации СМ ИС, приведено два основных критерия выбора компонентов барьерного материала:

- Материал ДБС и вещество, образующееся при его взаимодействии с контактирующими слоями, должны обладать как можно меньшими по величине теплотами образования.

- Компоненты ДБС должны обладать как можно более высокой теплотой сублимации.

В наибольшей степени этим критериям соответствуют стабильные аморфные сплавы, относящиеся к «заполненным» барьерам. На основе анализа различных литературных данных показано, что условиями стабильности аморфного состояния сплава могут быть следующие:

- Использование многокомпонентного сплава, в котором конкурируют между собой химические соединения со сложной кристаллической решёткой и малой областью гомогенности, позволяет затруднить процесс кристаллизации. При этом нужно использовать область концентрации, в которой все возможные доминирующие соединения были стабильны.

- Увеличение плотности расположения атомов позволяет получить более стабильную аморфную структуру с меньшим избытком свободной энергии. Этому могут способствовать дополнительные примеси с малым атомным радиусом.

В разделе 1.2. рассмотрены способы осаждения меди для формирования токоведущего слоя СМ. Показано, что используемые в настоящее время методы обладают рядом недостатков, затрудняющих их использование в будущем. Так, например, методы химического и электрохимического осаждения из раствора требуют обязательного наличия затравочного слоя. В случае химического осаждения этот слой обеспечивает необходимую величину электрохимического потенциала поверхности, чтобы процесс осаждения начался. В случае электрохимического осаждения он должен быть как можно более низкоомным, чтобы обеспечить однородность токоподвода ко всей поверхности подложки. Известен также метод CVD (chemical vapor

deposition), в котором химическое осаждение меди осуществляется из газовой фазы. Среди его недостатков можно отметить повышенное удельное сопротивление полученного слоя. Кроме того, все эти три метода сталкиваются с затруднением: при уменьшении ширины контактных отверстий и канавок возникает проблема беспустотного заполнения. Это обусловлено тем, что из-за малых размеров раствор (для CVD - пар) в узком контактном отверстии или канавке обедняется ионами (для CVD - радикалами) меди, вследствие чего происходит уменьшение скорости осаждения на дне и боковых стенках относительно скорости осаждения на поверхности диэлектрика.

На современном этапе развития тенденция к миниатюризации и расширению возможностей различных приборов породила стремление к комплексности интегральных схем, т.е. когда на одном кристалле выполняется как управляющая цифровая часть (КМОП), так и силовая часть (биполярная). В этом случае проблема заполнения углублений дополнительно усложняется, поскольку необходимо заполнять углубления различного размера, которые к тому же нерегулярно расположены.

Хорошей предпосылкой для заполнения нерегулярных узких канавок и контактных отверстий являются методы заполнения углублений с использованием жидких материалов. Поскольку речь идёт о меди, температура плавления которой то необходим поиск

способов реализации таких процессов при температурах, которые может выдержать ДБС. Ключом к решению этой задачи может быть использование эффекта низкотемпературного плавления тонких плёнок.

Температура плавления тонких плёнок определяется соотношением изменений абсолютных значений поверхностной и объемной энергий. С уменьшением толщины плёнки она понижается и при условии неизменности площади поверхности и объёма определяется выражением:

где Т„,— температура плавления тонкой п л ё н кТи; - температура плавления объёмного материала; - изменение поверхностной

энергии плёнки при переходе из твердого и жидкое состояние; А -площадь поверхности; - изменение энтальпии при переходе из

твердого и жидкое состояние; V- объем системы.

При достижении плёнка на инертной поверхности плавится и собирается в капли. Однако для осуществления заполнения узких контактных отверстий и канавок жидкой медью необходимо обеспечить хорошую смачиваемость поверхности структуры. Этого можно достичь,

если обеспечить наличие взаимной растворимости или химического взаимодействия между жидкой медью и подложкой. Дополнительное увеличение капиллярного эффекта может быть получено использованием ультразвукового воздействия на пластину в процессе заполнения медью отверстий.

В главе 2 приведены методики проведения экспериментов, описаны использованные оборудование и материалы.

Исходя из необходимости получения многокомпонентных сплавов на холодной подложке, для осаждения металлических плёнок использовался метод магнетронного распыления. Для осаждения сплава Ta-W-N использовалось распыление мозаичной мишени Ta-W в среде

Для исследования химического состава и структуры полученных плёнок и тестовых плёночных структур в «свободном» состоянии использовался метод электронной просвечивающей микроскопии (ПЭМ) на установке Philips EM-400T со встроенным рентгеновским спектрометром LINK-860. Этот метод применялся для наблюдения за изменениями, происходящими в тонкоплёночных структурах, непосредственно в процессе нагрева. Предельный размер кристаллов, реально наблюдаемых посредством электронной дифракции, равен 2-3 нм.

Профильный ОЭС-анализ (Оже-электронная спектроскопия) пленок проводили с использованием Оже-спектрометра PHI-600. Чувствительность этого метода к использованным в ходе работы металлам составляет величину около 1%. Для более точного исследования распределения атомов меди по глубине структуры использовался метод вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) с использованием установки Kameka-4. Чувствительность этого метода к атомам меди в кремнии составляет величину не менее 0.0001%, что позволяет с высокой точностью установить факт проникновения меди через барьерный слой.

Для экспрессного определения наличия диспергирования медной плёнки и деградации алюминиевого слоя в тестовых структурах использовался метод, основанный на измерении изменения поверхностного сопротивления в результате проведения отжига. Медь и алюминий обладают много более низким сопротивлением, чем кремний КДБ-10 и барьерный слой. В случае деградации плёнки ПС в результате взаимодействия с нижележащим барьерным материалом, диффузии через него, собирания в капли или по каким-либо другим причинам плёнка утоняется и поверхностное сопротивление возрастает.

Изменение поверхностного сопротивления до и после отжига позволяет судить о целостности верхнего слоя.

Ещё одной из задач, решаемых в рамках настоящей работы, было изучение механических напряжений в различных слоях СМ и влияние их друг на друга. Получение такой информации позволило провести оценку механических напряжений, возникающих в каждом отдельном слое в уже сформированной СМ. Для этого использовался метод, основанный на измерении оптическим методом прогиба кремниевой пластины после различных технологических операций. В результате сравнения напряжений в отдельных слоях с интегральным напряжением, привносимым всеми слоями, становится возможным оценить напряженность каждого слоя внутри многослойной структуры. Для расчётов использовалась формула:

- изменение прогиба пластины; - толщина подложки; -толщина слоя; R- радиус подложки; Е - модуль Юнга.

Для исследований использовались кремниевые пластины КДБ-10 <100>, диаметром 100 мм. Измерение стрелы прогиба проводилось до и после осаждения каждого слоя, а также после проведения термической обработки.

Для отработки возможности применения барьерного сплава Ta-W-N в производстве ИС в работе проводилась разработка процесса реактивного ионного травления (РИТ) на установке «Лада-З6М» (ОАО «Ангстрем») с использованием высокочастотной плазмы (13.56 МГц). Проводилось определение условий селективного травления во фтор- и хлорсодержащей плазме слоя Ta-W-N по отношению к БЮг с учётом возможности травления в едином технологическом цикле со слоем алюминия.

В рамках работы решались следующие задачи по обеспечению соответствия процесса травления следующим требованиям:

- высокая селективность травления по отношению к

- высокая анизотропность травления для получения рисунка с малыми топологическими размерами;

- высокая скорость травления;

- возможность проведения травления в одном технологическом цикле вместе с алюминиевым ПС.

Для изучения процесса заполнения узких контактных отверстий и канавок медью были изготовлены тестовые структуры, представляющие собой набор отверстий и канавок различной ширины в слое БЮг (рис.1.) на кремниевых подложках 0150 мм (100). Слой БЮг толщиной 1.7 мкм

формировался плазмохимическим методом на установках «Изотрон» (ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон»). Проекционная фотолитография проводилась на литографической установке Micrastep II Perking Elmer (USA). Использовался шаблон с набором тестовых линий от 0.5 мкм до нескольких единиц мкм. Травление проводилось плазмохимическим методом. Слой SiC>2 был протравлен насквозь до нижележащей кремниевой подложки. Таким образом, были получены отверстия и канавки в слое SiÜ2 глубиной 1.7 мкм. При этой глубине для размера 0.5 мкм происходил растрав верхней части канавки до 0.8 мкм.

При использовании тонких плёнок меди для заполнения углублений в структуре не всегда возможно закончить операцию за один цикл скатывания. Для дозаполнения углублений возможно использование различных методов осаждения (PVD, CVD, химическое и электрохимическое осаждение). В настоящей работе использовался электрохимический метод для дозаращивания медного слоя на тестовых образцах размером с предварительно

оплавленной тонкой плёнкой меди. Также в главе 2 приводится описание состава раствора и порядка проведения процесса осаждения.

Рис.1. Микрофотографии РЭМ скола исходного тестового образца;

а) канавки шириной 0.5 - 0.8 мкм в БЮг толщиной 1.7 мкм;

б) отверстия диаметром 0.8 мкм в БЮг толщиной 1.7 мкм.

Глава 3 посвящена разработке нового ДБС. Проведена разработка критериев выбора материала ДБС, обоснован выбор состава барьерного сплава Ta-W-N, исследованы его свойства в контакте с другими слоями СМ в широком температурном диапазоне.

Одной из важных задач, решаемых в работе, является разработка научно-обоснованных критериев выбора барьерного материала, позволяющих разрабатывать стабильную в широком температурном диапазоне СМ. Предложенные критерии сформулированы в результате проведения анализа литературных данных, касающихся физико-химических представлений о деградации многослойной СМ:

1) теплота реакции или энергия смешения между материалами контактирующих с ДБС слоев должна быть как можно большая по величине;

2) материал ДБС должен обладать как можно более отрицательной теплотой образования;

3) компоненты ДБС должны обладать как можно более высокой теплотой сублимации или низким давлением собственных паров;

4) для предотвращения зернограничной диффузии через ДБС необходимо использовать аморфные материалы, стабильные в широком диапазоне температур. Для этого необходимо учитывать следующие условия:

a) в составе сплава должны одновременно присутствовать компоненты, образующие разные типы связей;

b) в используемой области концентраций компоненты сплава должны иметь тенденцию к образованию между собой устойчивых соединений с различной кристаллической решёткой;

^ в состав сплава должны входить компоненты с малым размером атомов;

d) необходимо, чтобы атомы компонентов сначала были малоподвижны при конденсации и обладали прочными связями между собой.

Использование этих критериев позволяет проводить разработку оптимального по составу, обладающего необходимыми электрофизическими параметрами ДБС. При рассмотрении вопроса стабильности ДБС в составе СМ нужно отдельно рассматривать границы ПС/ДБС, ДБС/КС, а также стабильность структуры и химического состава самого барьерного материала. Стоит также отметить то, что для создания стабильной СМ нет необходимости выполнения всех перечисленных критериев. На практике может

оказаться более важным либо минимизировать тенденцию к химическому взаимодействию, либо создать большие кинетические ограничения для предотвращения диффузии атомов. Тот или иной путь должен выбираться в зависимости от химической природы компонентов системы, механических свойств слоев и выдвигающихся требований к электрофизическим параметрам.

В настоящей работе в качестве барьерного материала был разработан новый сплав Ta-W-N, т.к. в соответствии с предложенными критериями:

- Тантал и вольфрам не смешиваются и не образуют химических соединений с медью (критерий 1).

- Сплав Ta-W обладает отрицательной теплотой образования (критерий 2).

- Эти металлы обладают одной из самых больших значений теплоты сублимации, т.е. поверхностно инактивны (критерий 3).

- Атомы тантала и вольфрам обладают одновременно большим радиусом и массой, поэтому они малоподвижны на поверхности при конденсации (критерий 4й).

Среди известных аморфизующих добавок был выбран азот, так как он хорошо соответствует критериям:

- Азот практически не взаимодействует с медью (критерий 1).

- При добавлении его в сплав получается материал с более отрицательной теплотой образования, поскольку W и Та образуют прочные нитриды (критерий 2).

- Кристаллические решётки наиболее стабильных соединений нитридов тантала и вольфрама и раствора Ta-W сильно отличаются друг от друга. Это уменьшает выгодность преимущественного роста той или иной фазы (критерий 4а,Ь).

- Добавление азота с малым размером атомов, позволяет увеличить стабильность аморфной структуры (критерий 4с).

Концентрация компонентов предложенного сплава может быть, выбрана в соответствии с критериями 2 и 4Ь. Для этого на рис.2, представлена схема выбора концентрации компонентов сплава Ta-W-N, на ней указаны соединения, для которых характерна наименьшая теплота образования (теплота смешения для раствора Ta-W). Соотношение компонентов выбиралось в заштрихованной области, т.к. в ней возможно одновременное образование 3-ёх конкурирующих соединений. Соответственно сплав состава близкого к должен обладать наибольшей стабильностью.

Рис.3. Электронограмма плёнки Та-^Ш (150 А) после отжига при температуре 700°С в течение 30 мин.

Структура металлизации Тстаб» С Методы исследования

Al/Ta-W-N1 VSi 610°C др\, ОЭС

Al/Ta-W-N/S¡ 550°C д^,ОЭС

Cu/Ta-W-N/Si 700°C ОЭС

Cu/Ta-W-N/TiSi2/Si 750°C ОЭС

Cu/Ta-W-N/T¡N/Si 875 °C ОЭС, вимс

Cu/Ta-W-N/Si02/Si 875 "C ОЭС

Табл.1. Термическая стабильность различных типов СМ с ДБС, состоящим из сплава Та^-К

Для определения структуры сплава использовался метод просвечивающей электронной микроскопии. На рис.3. приведена полученная электронограмма, относящаяся к типу «гало». Нагрев плёнки толщиной 150А непосредственно в камере до 700°С не привёл к каким-либо заметным изменениям, что указывает на аморфную структуру сплава, стабильную в этом диапазоне температур. Существует много различных подходов к пониманию термина «аморфный сплав». Однако в рамках настоящей работы было достаточно того, что мы не наблюдаем наличия поликристаллических зёрен, соизмеримых с толщиной плёнки, даже после высокотемпературного отжига. Более того, при исследовании сплава Та-W-Cu-N наблюдалось вытеснение меди из объёма и собирание её в отдельные капли при температуре отжига около 300°С. При этом на участках между каплями полученная электронограмма также не показала наличия кристаллической структуры в сплаве.

Для изучения изменений, происходящих в сплаве Та-АУ-К при его нагреве на поверхности БЮг, были изготовлены образцы Ta-W-и подвергнуты отжигу в вакууме в диапазоне температур до 900°С. При этом обнаружено что до температуры 400°С поверхностное сопротивление после отжига структуры уменьшается, затем до 600°С увеличивается, а дальше сохраняется при величине больше исходной около 25% (рис.4). При этом сплав Ta-W без добавления азота ведёт себя несколько иначе: его сопротивление после отжига при 400°С уменьшается на величину около 25% меньше исходной и сохраняется при больших температурах отжига. Такое поведение сплавов может быть объяснено различием в их внутренней структуре. Уменьшение сопротивления, по-видимому, происходит из-за отжига дефектов и замыкания свободных связей атомов. Тогда как увеличение сопротивления сплава может происходить благодаря образованию новых нитридных связей, имеющих большее удельное сопротивление, и встраиванию в структуру замурованных атомов азота.

Исследование структуры Al/Ta-W-N/Si показало её стабильность до 550°С (табл.1). Проведение предварительного отжига структуры Та-АУ-Т^/Б! при 600°С, до осаждения слоя А1, позволяет ещё увеличить температуру стабильности до 610°С (отсутствие проникновения алюминия через ДБС подтверждено ОЭС-методом, рис.5). Такой отжиг, по-видимому, приводит к увеличению количества нитридных связей, за счёт этого увеличивается теплота образования сплава, что согласно критериям* позволяет улучшить барьерные свойства материала.

0.5

о. <

0.25

-0.5 I_,_,_____

ИОО 500 600 700 800 900

Т , °С

Рис.4. Зависимость относительного изменения поверхностного сопротивления от температуры изохронного (10 мин.) отжига структур: 1) Ta-W-N/SiCb/Si; 2) Ta-W/Si02/Si.

0 123456789 10 время травления, мин.

Рис.5. ОЭС-профиль структуры Al/Ta-W-N/Si (алюминий стравлен). ДБС - Ta-W-N; hTa-w-N=100 нм; Т^ - 610°С; t - 30 мин

При использовании сплава Ta-W без азота такого эффекта не наблюдалось, и температура деградации структуры A1/Ta-W/Si оказалась заметно ниже (520°С).

Результаты исследования термической стабильности сплава Та-W-N в составе медной СМ также представлены в табл.1. В случае, когда барьерный слой находится на поверхности кремния, медь проникает через него при температуре порядка 720°С. При добавлении КС TiSi2 стабильность системы повышается до 750°С, а при наличии SiO2 барьерный слой выдерживает температуру до 875°С. Понижение температуры деградации для первых двух случаев связано с взаимодействием плёнки Ta-W-N с атомами Si. Для предотвращения проникновения кремния из КС к сплаву Ta-W-N в работе предложено использование дополнительного барьерного слоя ТС^ который не имеет склонности к взаимодействию с кремнием:

4"Ш + 1 Ш 4таь + БЬ^ (ДН = 20.8 ккал/моль) 2ТГЫ+481 -» 2Т15!2 + N2 (ДН = 90.4 ккал/моль)

В этом случае отсутствие проникновения меди через ДБС Ta-W-N/TiN даже после отжига при 875°С (в течение 10 мин) подтверждено методами ВИМС и ОЭС (рис.6). Такую же высокую стабильность демонстрирует структура Таким образом,

становится возможным применение известного процесса формирования двухслойной структуры из сплава ТС-Со^ на поверхности Si, в результате которого происходит самоформирование КС и

барьерного слоя ТЖ. При этом для активной области прибора получается структура Си/Та-\У-1^ЛПЫ/Со812/51, а для межсоединений Си/Та-\У-Ы/™/8Ю2/81'.

Для решения проблемы возникновения сильных механических напряжений в многослойных СМ и оценки механических свойств сплава Ta-W-N использовалась методика, описанная в главе 1. Проведена оценка механических напряжений в многослойных структурах 80С/А1(Си)/Та-Ш-М/ИБ ¡2/8! и ЗСЮ/АКСиуПМ/теь/З!, где в качестве ДБС использовался TiN и Ta-W-N. Путём качественного сравнения показано, что сплав Ta-W-N привносит меньшие механические напряжения. Поэтому, в совокупности с другими его положительными свойствами, использование сплава Ta-W-N для ДБС предпочтительнее.

е24

Глубина травления, мкн.

Рис.6. Распределение материалов по глубине структуры (медь стравлена):

а) ВИМС-профиль распределения меди:

1 - структура Cu/Ta-W-N/TiN/Si до отжига;

2 - структура Cu/Ta-W-N/TiN/Si после отжига 875°С;

3 - структура Си/ТаЛУ/ТВД/^ после отжига 875°С;

б) ОЭС-профиль структуры Си/Та-\У-М/ТГЫ/51 после отжига 875°С.

Для того чтобы новый материал Ta-W-N мог быть использован в производстве ИС, была проведена разработка процесса его РИТ. В работе были установлены основные закономерности проведения процесса РИТ сплава Ta-W-N в составе СМ. В ходе экспериментального исследования были определены оптимальные параметры для травления слоя Ta-W-N в плазме при этом коэффициент

селективности Ta-W-N/Si02 с о с S=ali -«2:0, а скорость травления Ta-W-N составила V ~ 1 нм/сек. Кроме того, было установлено, что качество травления улучшается при пониженном давлении рабочей атмосферы в камере. Травление во фторсодержащей плазме, несмотря на высокую скорость, оказалось непригодным для использования из-за плохой селективности по отношению к остальным слоям СМ и сильного бокового подтрава.

В главе 4 проведено исследование эффекта низкотемпературного плавления плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N с целью разработки нового метода изготовления медных межсоединений в рамках технологии Damascene.

Для его реализации было проведено исследование и анализ поведения тонкой плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N. На рис.7, представлены микрофотографии стадий процесса плавления пленки меди толщиной 75 нм в структуре Cu/W-Ta-N. Как можно видеть, на начальной стадии процесс собирания в капли происходит локально (рис.7.а). Капли собираются с отдельных небольших участков, оголяя поверхность нижележащего слоя. В то же время на всей остальной площади плёнка меди остаётся целой. В конечном итоге при увеличении температуры медь собирается в капли по форме похожие на капли жидкости (рис.7.б и в).

Экспериментальные данные зависимости температуры процесса плавления плёнки меди, сопровождающегося диспергированием, от её толщины представлены на рис.8. При этом полученные значения заметно отличаются от температуры плавления объёмной меди. Это явление хорошо известно. Однако аппроксимация экспериментальных данных согласно общепризнанному выражению 1, описывающему этот эффект, не дала правильного результата. Аппроксимирующее выражение в этом случае выглядит следующим образом:

T-1356(l-C/h),

где константы.

Рис.8. Изменение температуры плавления, сопровождающееся изменением формы, от толщины плёнки Си на поверхности сплава Ta-W-N. Данные аппроксимированы методом наименьших квадратов: 1 - к функции (1), 2 - к функции (4).

Экспериментальные точки лежат значительно ниже полученной кривой 1. Это связано с тем, что при таком фазовом переходе вместе с изменением соотношения удельных энергий система стремится изменить соотношение площади поверхности и объема, т.е. стремится оптимизировать форму путём собирания в капли, которые затем кристаллизуются. Таким образом, процесс диспергирования в этом случае состоит из нескольких одновременно идущих физико-химических процессов: локального плавления, оптимизации соотношения поверхности к объему и кристаллизации. Выражение, учитывающее эти процессы, выглядит следующим образом:

где - поверхностная энергия границы пленка/вакуум; -

поверхностная энергия границы пленка/подложка; -

изменение энтальпии системы в результате плавления и кристаллизации соответственно; радиус капли.

Следует обратить внимание, что величина ЛНкг отрицательная, в отличие от поэтому процесс кристаллизации в результате

собирания в капли также понижает температуру плавления пленки.

При фиксированной температуре, продолжительности отжига и толщине пленки к капля объемом 4пг3/3 может собраться с некоторой площади поверхности Тогда радиус капли связан с толщиной пленки зависимостью:

Отсюда вид функции, учитывающий температурную зависимость процесса плавления, сопровождающегося изменением формы тонкой пленки от толщины, имеет вид:

Т=1356- (7-С/й-С/Т/'3>) (6),

где СI, С2 — константы.

Аппроксимация экспериментальных точек к функции (6) действительно дала прекрасный результат с коэффициентом корреляции 0,98 (кривая 2 на рис.8).

Использование смачивающего слоя подавляет процесс каплеобразования, и плёнка при тех же условиях должна оставаться целой. Это хорошо подтверждается экспериментом, в котором на части структуры Си/Та^-Ы/81 использован смачивающий слой И (структура В результате отжига на участках, где не было титана, медная плёнка собралась в капли, а на остальных участках осталась целой (рис.7.г).

_| °'<"» +(Х1Ю1 3-ег„|А

(4)

Т0 ЬНв1к Д Ни,г

(5)

При осаждении металлических плёнок реактивным ионным распылением их толщина изменяется в зависимости от характера рельефа поверхности структуры. В верхней части и на поверхности плёнка в 2.5-3 раза толще, чем на стенках и дне колодца. В результате процесс плавления на инертной поверхности сплава Ta-W-N может происходить неравномерно. На более тонких участках медной плёнки плавление начинается раньше. При этом участки, сохранившие своё твёрдое состояние, обладают по отношению к расплавленной меди хорошей смачиваемостью, что приводит к собиранию капель преимущественно на поверхности структуры и в углах (рис.9.). Добавление смачивающего слоя приводит к тому, что при

той же температуре медь не собирается в капли, а заполняет субмикронные отверстия и канавки (рис.10.). Схема такого процесса представлена на рис. 13.а. Результат проведения плавления медной плёнки при недостаточном смачивании поверхности представлен на рис.11., где толщина ТС уменьшена до 10 нм. В этом случае капли образовались, но оказались свисающими со стенок. При этом их вид напоминает по форме скатывающуюся по наклонной поверхности каплю жидкости.

Использование более тонкой плёнки меди позволяет снизить температуру процесса заполнения. В этом случае характер заполнения углублений таков, что становится возможным достаточно легко их дозаполнить любым из существующих методов осаждения. В работе возможность осуществления такого процесса показана на примере использования электрохимического метода осаждения меди (рис.12.). При этом отпадает необходимость в каком либо специальном усовершенствованном оборудовании. Процесс легко осуществим даже в лабораторных условиях.

а

Рис.13. Схематическое изображение способа заполнения канавок для токоведущих дорожек медью.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1) На основе физико-химического анализа условий существования многослойной гетерогенной системы предложены принципы построения стабильной СМ, в основе которых лежит стабильный барьерный материал из сплава Та-^^, совместимый по основным признакам с остальными слоями металлизации, и новый способ формирования медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, использующий эффект низкотемпературного плавления тонких плёнок.

2) На основе анализа причин деградации многослойных структур, содержащие различные ДБС, разработаны критерии выбора барьерных материалов, совместимых по основным физико-химическим признакам с другими слоями металлизации, позволяющие обеспечить высокую стабильность СМ в целом. Высокая стабильность достигается путём уменьшения движущей силы деградации многослойной структуры и увеличения кинетических ограничений её реализации.

3) Используя предложенные критерии, разработан барьерный сплав

Проведено экспериментальное исследование его барьерных свойства в контакте с другими слоями СМ. Определён температурный диапазон его стабильного существования в контакте с медью до 875°С, в контакте с Т§51г до 750°С, в контакте с БЮг до 875°С, в контакте с А1 до 610°С.

4) Изучено изменение электрического сопротивления сплава Та-^^ в зависимости от содержания азота и температуры изотермического отжига в вакууме. Показано, что увеличение содержания азота приводит

к росту сопротивления сплава от 70 до 250 мкОмсм. Проведение термического отжига при температуре до 875°С сплава состава Таз0-W40-N30 приводит к возрастанию удельного сопротивления ~25%.

5) Исследован процесс реактивного ионного травления в фтор- и хлорсодержащей плазме. Определён состав травителя, и оптимизированы параметры процесса с учётом получения наибольшей скорости и селективности травления по отношению к SiO2 и А1.

6) Проведена оценка механических напряжений в многослойных структурах SOG/Al(Cu)/Ta-W-N/TiSi2/Si и SOG/A!(Cu)/TiN/TiSi2/Si, где

в качестве ДБС использовался TiN и Ta-W-N. Путём качественного сравнения показано, что сплав Ta-W-N привносит меньшие механические напряжения. Поэтому, в совокупности с другими его положительными свойствами, использование сплава Ta-W-N для ДБС предпочтительнее.

7) Обнаружено снижение температуры плавления для плёнки Си на поверхности сплава Ta-W-N в зависимости от её толщины. Предложен механизм, описывающий этот процесс. Показано, что такой процесс обусловлен тремя одновременно протекающими процессами: плавление, оптимизация формы и кристаллизация. Научно обоснован вид функции, к которой адекватно аппроксимируются экспериментальные данные.

8) Теоретически обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность использования процесса низкотемпературного плавления, сопровождающегося оптимизацией формы медной плёнки, для заполнения узких отверстий и канавок субмикронного размера, который может быть использован для формирования медных межсоединений по технологии Damascene. Обоснована необходимость и описаны требования к свойствам смачивающего слоя для его осуществления.

9) Предложен новый метод изготовления СМ, включающий использование процесса самоформирования КС CoSi'2 и ДБС TiN из плёнки сплава Ti-Co-N с последующим формированием ДБС Ta-W-N и медных межсоединений, используя низкотемпературное плавление тонких плёнок.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность профессору кафедры МПТЭ д.т.н. Громову Д.Г. за плодотворные консультации и постоянную помощь в работе и профессору кафедры МФХ д.т.н. Гаврилову С.А за активное участие в обсуждении работы и ценные рекомендации.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Горнев Е.С., Евдокимов В.Л., Мочалов А.И., Рыжов П.А., Сулимин А.Д. Разработка высокоэффективных диффузионно-барьерных слоев для систем металлизации СБИС субмикронного уровня. -В сб. трудов 4-ой НТК АООТ "НИИМЭ и завод "Микрон", Москва, 2000.

2) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Евдокимов В.Л., Личманов И.О., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Материалы для металлизации кремниевых СБИС. -Электронная промышленность №1,2002,60-66 стр.

3) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Евдокимов В.Л., Леонова Е.В., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Способ изготовления полупроводникового прибора. -Заявка на патент РФ на изобретение №2002117088 от 28.06.2002.

4) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д., Евдокимов В.Л. Высокостабильные диффузионно-барьерные материалы на основе сплава Ta-W для медной и алюминиевой металлизации кремниевых СБИС. -В сб. трудов восьмой международной научно-технической конференции (Дивноморск, Россия, 14-19 сентября 2002г.) 140-142 стр.

5) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Мочалов А.И., Евдокимов В.Л., Сулимин А.Д. Влияние механических напряжений на стабильность многослойной системы металлизации Ti/TiN/AlSi(l%)Ti(0.5%)/TiN -В сб. трудов 5-ой НТК АООТ "НИИМЭ и завод "Микрон", Москва, 2002.

6) Климовицкий А.Г., Мочалов А.И., Громов Д.Г., Леонова Е.В., Мочалов З.А. Исследования барьерных свойств сплава Ta-W-N в составе многослойной системы металлизации ИС. -Известия вузов, Электроника, №5, 2003, 3-8 стр.

7) Klimovitskiy A, Mochalov A, Leonova E. Development of copper metallization for VLSI using diffusion barrier Ta-W-N layer. -Abstracts of International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003", Russia, Zvenigorod October 6-10,2003, p. 0-61.

8) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Способ заполнения углублений проводящим материалом. -Заявка на патент РФ на изобретение от 12.03.2004.

9) Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Использование эффекта понижения температуры плавления тонких пленок меди для заполнения канавок и контактных окон при создании многоуровневой металлизации кремниевых ИС. -Известия вузов, Электроника, № 6, 2004.

Формат 60x84 1/16. Уч.-юдл.^. Тираж/£Ю экз. Заказ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ. 124498, Москва, МИЭТ.

»24273

276

Введение.

1. Проблемы технологии формирования токоведущих слоёв металлизации субмикронной СБИС.

1.1. Система металлизации современной ИС.

1.1.1. Современные технологии формирования многоуровневой металлизации СБИС.

1.1.2. Барьерные материалы в современной ИС.

1.1.2.1. Пассивные диффузионно-барьерные слои.

1.1.2.2. Реактивные (расходуемые) диффузионные барьеры.

1.1.2.3. "Заполненные" диффузионные барьеры.

1.1.3. Стабильность тонкопленочного аморфного сплава.

1.1.4. Анализ деградации ДБС в составе многослойной твердофазной системы.

1.1.5. Критерии выбора материала диффузионно-барьерного слоя.

Заключения по разделу 1.1.

1.2. Формирование медного проводящего слоя в ИС субмикронного уровня.

1.2.1. Способы формирования медного проводящего слоя.

1.2.2. Температура плавления тонких плёнок.

1.2.3. Межфазная поверхностная энергия и краевые углы смачивания45 Заключения по разделу 1.2.

2. Методика проведения эксперимента, оборудование и материалы.

2.1. Методика нанесения металлических плёнок.

2.2. Методика термической обработки образцов.

2.3. Методы исследования образцов.

2.3.1. Исследование структуры плёнок.

2.3.2. Исследование элементного состава слоёв.

2.3.3. Исследование поверхности и скола образцов.

2.3.4. Расчёт изменения поверхностного сопротивления.

2.3.5. Анализ механических напряжений в многослойной структуре.

2.4. Подготовка тестовых образцов.

2.4.1. Образцы для ПЭМ.

2.4.2. Образцы для разработки технологии заполнения медью канавок с высоким аспектным соотношением.

2.5. Процесс электрохимического осаждения меди.

2.6. Реактивное ионное плазменное травление.

3. Разработка диффузионно-барьерного слоя для многоуровневой системы металлизации.

3.1. Критерии выбора материала ДБС для системы металлизации ИС.

3.2. Разработка ДБС для медной СМ.

3.2.1. Обоснование выбора сплава Ta-W-N для ДБС в составе медной СМ.

3.2.2. Исследование структуры сплава Ta-W-N.

3.2.3. Исследование стабильности медной системы металлизации с ДБС на основе сплава Ta-W-N.

3.2.4. Обоснование использования двухслойного ДБС для медной СМ.,.

3.2.5. Исследование стабильности медной системы металлизации с двухслойным ДБС.

3.2.6. Медная СМ с мелкозалегающим КС CoSi2.

3.3. Разработка ДБС для алюминиевой СМ.

3.3.1. Обоснование выбора сплава Ta-W-N для ДБС в составе СМ на основе алюминия.

3.3.2. Исследование влияния предварительного отжига ДБС на основе сплава Ta-W на его барьерные свойства для алюминиевой СМ.

3.3.3. Исследование влияния концентрации азота на барьерные свойства сплава Ta-W-N в составе алюминиевой СМ.

Заключения по разделам 3.1.-3.3.

3.4. Исследование механических свойств ДБС Ta-W-N.

3.4.1. Механические напряжения, привносимые слоями СМ.

3.4.2. Прочностные и адгезионные свойства сплава Ta-W-N.

Заключения по разделу 3.4.

3.5. Оптимизация процесса реактивного ионного травления ДБС на основе сплава Ta-W.

4. Разработка технологии формирования медного ПС для СМ с субмикронным рельефом.

Введение.

4.1. Изучение процесса плавления плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N.

Заключения по разделу 4.1.

4.2. Разработка процесса заполнения медью канавок субмикронного размера.

4.2.1. Исследование исходных тестовых структур; равномерность осаждения плёнок магнетронным методом.

4.2.2. Плавление медной плёнки на поверхности сплава Ta-W-N на тестовой структуре.

4.2.3. Заполнение медью узких канавок и контактных окон.

4.2.4. Электрохимическое дозаращивание канавок субмикронного размера медью.

Заключения по разделу 4.2.

Выводы по диссертационной работе.

Актуальность работы:

На всём протяжении развития микроэлектроники основной тенденцией было и остаётся снижение размеров элементов. Современная система металлизации (СМ) представляет собой сложную структуру, состоящую из слоёв различного функционального назначения и нескольких уровней (до 15) межсоединений. Развитие в этой области сопровождалось переходом материала межсоединений от А1 на Си, что было обусловлено стремлением к увеличению быстродействия приборов ИС и повышению их стабильности СМ в процессе эксплуатации. Эта замена потребовала коренного изменения в технологии формирования межсоединений и разработки технологии Damascene, которая основана на вытравливании в изолирующем материале канавок и их последующем заполнении медью. Высокое аспектное соотношение и малый размер углублений, которые необходимо заполнять медью, привели к необходимости использования новых методов осаждения, в частности электрохимического осаждения. На сегодняшний день начато освоение нанометровой области, и уже в ближайшем будущем существующая технология может столкнуться с проблемой беспустотного заполнения, которая связана с различием в скорости осаждения меди на поверхности и внутри углубления.

Другой проблемой перехода к медным межсоединениям в совокупности с тенденцией к уменьшению размеров является большая диффузионная подвижность Си в различных материалах. Это вынуждает окружать медные межсоединения со всех сторон диффузионно-барьерным слоем (ДБС). Поскольку уменьшение размеров пробора приводит к утонению ДБС, то проблема эффективного блокирования диффузии меди в другие слои и области ИС обостряется. В результате возникает необходимость поиска новых стабильных барьерных материалов. Проблемы с разработкой ДБС связаны с отсутствием научно-обоснованной методики выбора барьерного материала для конкретных практических задач. Анализ литературных данных указывает на то, что в большинстве случаев разработка материалов для ДБС велась чисто эмпирическим путём.

О недостаточной надёжности существующей технологии производства медной СМ говорит тот факт, что СБИС, выполненные по заказу Минобороны США, в настоящее время изготавливаются по технологическим нормам не менее

0.35 мкм с алюминиевой металлизацией [1], в то время как достигнутые технологические нормы с медными межсоединениями составляют 0,09 мкм.

В связи с вышеизложенным, разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня является актуальной темой.

Цель работы:

Основной целью настоящей работы является разработка нового подхода к формированию межсоединений СБИС субмикронного размера. Исходя из этого, конкретные задачи данной работы состояли в следующем:

- Разработка и исследование нового процесса заполнения узких углублений субмикронного размера, упрощающего формирование ПС по технологии Damascene.

- Разработка и исследование нового стабильного в широком диапазоне температур ДБС для медной СМ.

Научная новизна диссертационной работы:

1) Предложены принципы построения стабильной многоуровневой СМ, в основе которых лежат критерии выбора материала для ДБС, совместимого по основным признакам с остальными слоями металлизации.

2) Произведен научно-обоснованный выбор нового барьерного материала Та-W-N. Изучены его электрофизические, механические и адгезионные свойства. Исследована стабильность ДБС Ta-W-N в составе различных многослойных систем. Показана высокая эффективность барьерных свойств предложенного материала.

3) Обнаружено снижение температуры плавления плёнок Си на поверхности сплава Ta-W-N в зависимости от их толщины. Установлено, что плавление сопровождается процессом изменения формы плёнки. Изучены стадии этого процесса и предложен описывающий его механизм.

4) Предложен новый подход к формированию медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, основанный на изученном эффекте низкотемпературного плавления плёнки Си, сопровождающийся процессом изменения её формы. Обоснована необходимость и описаны требования к свойствам смачивающего слоя для реализации этого процесса.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:

1) Разработаны критерии выбора, которые позволяют разрабатывать новые материалы диффузионно-барьерных слоёв.

2) Разработан новый универсальный стабильный ДБС состоящий из Ta-W-N, и показана возможность его использования в технологии изготовления СБИС.

3) Разработан новый стабильный ДБС Ta-W-N/TiN для СМ с медными межсоединениями и показана возможность его изготовления с использованием процесса самоформирования КС CoSi2

4) Разработан новый способ формирования медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, использующий эффект низкотемпературного плавления тонких плёнок.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Критерии выбора диффузионно-барьерного материала.

2) Выбор состава и условий формирования сплава Ta-W-N для ДБС алюминиевой и медной СМ с использованием предложенных критериев.

3) Механизм процесса плавления тонкой плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N сопровождающийся её диспергированием на капли.

4) Подход к формированию медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, основанный на эффекте низкотемпературного плавления плёнки Си на поверхности сплава Ta-W-N, сопровождающегося процессом изменения формы.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2001" (Зеленоград, 18-19 апреля, 2001 г.).

2) Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и нано-электроника - 2001" с участием зарубежных учёных (г. Звенигород, пансионат "Липки", 1-5 октября, 2001 г.).

3) Первая всероссийская конференция молодых учёных по физическому материаловедению (г. Калуга, 4-7 октября, 2001г.).

4) Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002" (г. Зеленоград, 18-19 апреля, 2002 г.).

5) IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика - 2002" (г. Зеленоград, 19-21 ноября, 2002 г.).

6) Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2003» (г. Москва, 18-19 апреля, 2003г.) (два доклада).

7) International Conference "Micro- and nanoelectronics - 2003" (Russia, Zvenigorod, October 6-10, 2003).

Всего по теме работы опубликовано 15 печатных работ и подано 2 заявки на патент, на одну из них к моменту рассылки автореферата получено положительное решение.

Структура и объём работы:

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных выводов, библиографии, включающей 101 наименование, содержит 135 страниц, в том числе 46 рисунков и 6 таблиц.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1) На основе физико-химического анализа условий существования многослойной гетерогенной системы предложены принципы построения стабильной СМ, в основе которых лежит стабильный барьерный материал из сплава Ta-W-N, совместимый по основным признакам с остальными слоями металлизации, и новый способ формирования медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, использующий эффект низкотемпературного плавления тонких плёнок.

2) На основе анализа причин деградации многослойных структур, содержащие различные ДБС, разработаны критерии выбора барьерных материалов, совместимых по основным физико-химическим признакам с другими слоями металлизации, позволяющие обеспечить высокую стабильность СМ в целом. Высокая стабильность достигается путём уменьшения движущей силы деградации многослойной структуры и увеличения кинетических ограничений её реализации.

3) Используя предложенные критерии, разработан барьерный сплав Ta3o-W4o-N3o. Проведено экспериментальное исследование его барьерных свойства в контакте с другими слоями СМ. Определён температурный диапазон его стабильного существования в контакте с медью до 875°С, в контакте с TiSi2 до 750°С, в контакте с Si02 до 875°С, в контакте с А1 до 610°С.

4) Изучено изменение электрического сопротивления сплава Ta-W-N в зависимости от содержания азота и температуры изотермического отжига в вакууме. Показано, что увеличение содержания азота приводит к росту сопротивления сплава от 70 до 250 мкОмсм. Проведение термического отжига при температуре до 875°С сплава состава Ta3o-W4o-N3o приводит к возрастанию удельного сопротивления ~25%.

5) Исследован процесс реактивного ионного травления в фтор- и хлорсодержащей плазме. Определён состав травителя, и оптимизированы параметры процесса с учётом получения наибольшей скорости и селективности травления по отношению к Si02 и А1.

6) Проведена оценка механических напряжений в многослойных структурах SOG/Al(Cu)/Ta-W-N/TiSi2/Si и SOG/Al(Cu)/TiN/TiSi2/Si, где в качестве ДБС использовался TiN и Ta-W-N. Путём качественного сравнения показано, что сплав

Ta-W-N привносит меньшие механические напряжения. Поэтому, в совокупности с другими его положительными свойствами, использование сплава Ta-W-N для ДБС предпочтительнее.

7) Обнаружено снижение температуры плавления для плёнки Си на поверхности сплава Ta-W-N в зависимости от её толщины. Предложен механизм, описывающий этот процесс. Показано, что такой процесс обусловлен тремя одновременно протекающими процессами: плавление, оптимизация формы и кристаллизация. Научно обоснован вид функции, к которой адекватно аппроксимируются экспериментальные данные.

8) Теоретически обоснована и экспериментально продемонстрирована возможность использования процесса низкотемпературного плавления, сопровождающегося оптимизацией формы медной плёнки, для заполнения узких отверстий и канавок субмикронного размера, который может быть использован для формирования медных межсоединений по технологии Damascene. Обоснована необходимость и описаны требования к свойствам смачивающего слоя для его осуществления.

9) Предложен новый метод изготовления СМ, включающий использование процесса самоформирования КС CoSi2 и ДБС TiN из плёнки сплава Ti-Co-N с последующим формированием ДБС Ta-W-N и медных межсоединений, используя низкотемпературное плавление тонких плёнок.

В заключение автор выражает искреннюю благодарность профессору кафедры МПТЭ д.т.н. Громову Д.Г. за плодотворные консультации и постоянную помощь в работе. Кроме того, признателен за активное участие в обсуждении работы и ценные рекомендации д.т.н. проф. Гаврилову С.А.

1. Жорес Алферов. О состоянии и перспективах развитиях полупроводниковой электроники в России. -Доклад в Государственной Думе ФС РФ, 20.05.2004. http://www.cnews.ru/newcom/index.shtml72004/05/31/159471.

2. International Technology Roadmap for Semiconductors 2003. http://public.itrs.net/

3. Мьюрарка Ш. Силициды для СБИС. -М.:Мир, 1986, -176 с.

4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. -Минск: Выш. шк., 1989. 238 с.

5. Под ред. Сорокина И. Н. Технология электронных компонентов -М.: МИЭТ, 1999, 100 с.

6. Junji Imahori, Takeo Oku, Masanori Murakami. -Thin Solid Films, 1997, v. 301, pp. 142-148.

7. M. Uekubo, T. Oku, K. Nii, M. Murakami, K. Takahiro, S. Yam. aguchi, T. Nakano and T. Ohta. -Thin Solid Films, 1996, v. 286, p. 170.

8. T. Oku, E. Kawakami, M. Uekubo, K. Takahiro, S. Yamaguchi and M. Murakami. -Appl. Surf. Sci., 1996, v. 99, p. 265.

9. M.H. Tsai, S.C. Sun, C.E. Tsai, S.H. Chuang and H.T. Chiu. -J. Appl. Phys., 1996, v. 79, p. 6932.

10. Stavrev M, Fischer D, Praessler F, Wenzel C, Drescher K. -J Vac. Sci. Technol A, 1999, v. 17, p. 993.

11. Kaloyeros AE, Chen X, Stark T, Mumar K, Seo S-C, Peterson GC, Frisch HL, Arkles B, Sullivan. -J. Electrochem Soc, 1999, v. 146, p. 170.

12. E. Kolawa, J.S. Chen, J.S. Reid, P.J. Pokela and M. -A. Nicolet, J. Appl. Phys., 1991, v. 70, p. 1369.

13. Kohn, M. Eizenberg, Y. Shacham-Diamand, B. Israel, Y. Sverdlov. -microelectronic Engineering, 2001, v. 55, pp. 297-303.

14. S.-Q. Wang, I.J. Raaijmakers, B.J. Burrow, S. Suthar, S. Redkar and K.-B. Kim. -J. Appl. Phys., 1990, v. 68, p. 5176.

15. T. Iijima, Y. Shimooka and K. Suguro. -Trans. Inst. Electron. Inform. Comm. Eng., J78-C-UII, 1995, p. 266.

16. L. Le Brizoual, S. Guilet, G. Lemperiere, A. Granier, N. Coulon, M. Lancin, G. Turban. -Microelectronic Engineering, 2000, v. 50, pp. 509-513.

17. S. Riedel, S.E. Schulz, J. Baumann, M. Rennau, T. Gessner. -Microelectronic Engineering, 2001, v. 55, pp. 213-218.

18. J.S. Reid, E. Kolawa, R.P. Ruiz and M.-A. Nicolet. -Thin Solid. Films, 1993, v. 236, pp.319.

19. Cheng-Li Lin, Shaw-Ru Ku, Mao-Chieh Chen. -Jpn. J. Appl. Phys., 2001, v. 40 pp. 4181-4186.

20. D. Fischer , T. Scherg , J.G. Bauer , H.-J. Schulze , C. Wenzel. -Microelectronic Engineering, 2000, v. 50, pp. 459 464.

21. M.-A. Nicolet, P.J. Pokela, C.-K. Kwok, E. Kolawa, S.Raud. -Appl. Surf. Sci., 1991, v. 53, pp. 364-372.

22. E. Kolawa, X. Sun, J.S. Chen, M.-A. Nicolet and R. Ruiz. -Thin. Solid Films, 1993, v. 236, p. 301.

23. A.-M. Dutron, E.Blanquet, C. Bernard, A.Bachli, R.Madar. -Appl. Surf. Science, 1995, v. 91, pp. 277-284.

24. M.-A. Nicolet-Thin Solid Films, 1978, v. 52, pp. 415-443.

25. C.W. Nelson. Proceedings of the International Symposium on Hybrid Microelectronic (International Society of Hybrid Microelectronics). -Montgomery, Dallas, TX, 1969, p. 413.

26. J.P. Lu, W.Y. Hsu, Q.Z. Hong et al. Thermal stability of Al/barrier/TiSix multilayer structures. -Thin Solid Films, 1998, v. 320, pp. 20-25.

27. Sproul WD, Rothstein R. -Thin Solid Films, 1985, v. 60, p. 257.

28. Olowolafe J.O., Li Jian, Colgan F.G. -Appl. Phys. Lett., 1991, v. 58, № 5, pp. 469471.

29. I. Suni, M. Maenpaa, M.-A. Nicolet. -J. Electrochem. Soc., 1983, v. 130, pp. 12151218.

30. B.O. Johansson, J.-E. Sundgren, U. Helmersson, M.K. Hibbs. -Appl. Phys. Lett., 1984, v. 44, pp. 670-672.

31. F.T.J. Smith. -J. Appl. Phys., 1970, v. 41, pp. 4227-4231.

32. R. Nowak, S. Marino. -Mater. Sci. Eng., 1995, v. A 202, pp. 226-237.

33. R. Nowak, C.L. Li, Evaluation of HfN thin films considered as diffusion barriers in the Al/HfN/Si system. -Thin Solid Films, 1997, v. 305, pp. 297-303.

34. C.Y. Ting. -J. Vac. Sci. Technol., 1982, v. 21, pp. 14-18.

35. Tomi Laurila. Tantalum-based diffusion barriers for copper metallization. -Helsinki University of Technology Department of Electrical and Communications Engineering Laboratory of Electronics Production Technology, Espoo 2001, p. 58.

36. Груздин П. Л.-ДАН СССР, 1951, т. 80, №1, 115-119 стр.

37. С.Е. Ramberg, Е. Blanquet, М. Pons, С. Bernard, R. Madar. -Microelectronic Engineering, 2000, v. 50, pp. 357-368.

38. Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. -М.: Металлургия, 1988, 574 стр.

39. W.J. Ward, К.М. Carroll. -J. Electrochem. Soc., 1982, v. 129 № 1, pp. 227-229.

40. Warren F. Mcarthur, Ken M. Ring, Karen L. Kavanagh. Cu diffusion and structural degradation of amorphous metal silicon nitride barriers for ulsi interconnects. -Final Report 1997-98 for MICRO Project #97-078 Industrial Sponsor(s): Sputtered Films Inc.

41. Физический энциклопедический словарь. Под ред. A.M. Прохорова -М.: «Советская энциклопедия», 1984, стр. 4-8, 944 стр.

42. Е. Kolawa, J.M. Molarius, C.W. Nieh, M.-A. Nicolet. -J. Vac. Sci. Tech., 1990, v. A 8, p. 3006.

43. M.-A. Nicolet. -App. Surf. Sci., 1995, v. 91, pp. 269-276.

44. J.S. Reid, E. Kolawa, M.-A. Nicolet. -J. Mater. Res., 1992, v. 7, № 9, pp. 24242428.

45. J.S. Reid, X. Sun, E. Kolawa, M.-A. Nicolet. -IEEE Electron. Device Lett, 1994, v. 15, №8, pp. 298-300.

46. Кекало И.Б. Аморфные магнитные материалы, часть I. -М.: Учеба, МИСиС, 2001,279 стр.

47. Зинер К. Роль энтропии в стабилизации фаз. В кн.: -Устойчивость фаз в металлах и сплавах. // Сборник статей под ред. Каменейкой Д.С. -М.: Мир, 1970, 408 стр.

48. Громов Д.Г. Материалы и процессы формирования многослойной металлизации кремниевых СБИС. // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -М: МИЭТ, 2002г.

49. Климовицкий А.Г., Громов Д.Г., Евдокимов B.JL, Личманов И.О., Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Материалы для металлизации кремниевых СБИС. -М.: Электронная промышленность, 2002, №1, 60-66 стр.

50. Сейдман Л.А. Реактивное нанесение в вакууме слоев нитрида титана и применение их в системах контактной металлизации полупроводниковых приборов // Обзоры по ЭТ. Сер.2. Полупроводниковые приборы. Вып. 6 (1366), 1988.

51. Шебзухов А. А. Поверхностная сегрегация в разбавленных металлических растворах. Поверхность. Физика, химия, механика. -1983, №8, 13-22 стр.

52. Свойства элементов. Справочник. Под ред. Г.В.Самсонова. -М.: Металлургия, 1976, ч. 1, Физические свойства, 599 стр. Ч. 2, Химические свойства, -383 стр.

53. Верятин У.Д., Маширев В.П., Рябцев Н.Г., Тарасов В.И., Рогозкин Б.Д., Коробов И.В. Термодинамические свойства неорганических веществ. Справочник. // Под ред. А.П.Зефирова. -М.: Атомиздат, 1965, 460 стр.

54. Wagman D.D., Evans W.H., Parker V.B. The NBS tables of chemical thermodynamic properties. -National Bureau of Standards, Washington DC, 1982.

55. Miedema A.R., Boom R., De Boer F.R. On the heat of formation of solid alloys -J. Less-Common Metals, 1975, pp. 283-298.

56. G. Steinlesberger, M. Engelhardt, G. Schindler, J. Kretz, W. Steinhogl, E. Bertagnolli. Processing technology for the investigation of sub-50 nm copper damascene interconnects. -Solid-State Electronics, 2003, v. 47, pp. 1237-1241.

57. Helneder H., Korner H., Mitchell A., Schwerd M., Seidel U. Comparison of copper damascene and aluminum RIE metallization in BICMOS technology. -Microelectronic Engineering, 2001, v.55, pp. 257-268.

58. M.J. Shaw, et al. 'Seedless' Electrochemical Deposition of Copper on PVD-W2N Liner Materials for ULSI Devices -Journal of Electronic Materials, December 2001, p. 1602.

59. AH Eftekhari. I mproving Cu metallization of Si by electrodeposition under centrifugal fields. -Microelectronic Engineering, 2003, v. 69, pp. 17-25.

60. Pascal Doppelt. Copper CVD precursors and processes for advanced metallization (Invited lecture). -Microelectronic Engineering, 1997, v. 37/38, pp. 89-95.

61. D. Bollmann, R. Merkel, A. Klumpp. Conformal copper deposition in deep trenches. -Microelectronic Engineering, 1997, v. 37/38, pp. 105-110.

62. Y. Morand. Copper metallization for advanced 1С: requirements and technological solutions. -Microelectronic Engineering, 2000, v. 50, pp. 391^101.

63. M. Proust, F. Judong, J.M. Gilet, L. Liauzu, R. Madar. CVD and PVD copper integration for dual damascene metallization in a 0.18 mm process. -Microelectronic Engineering, 2001, v. 55, pp. 269-275.

64. Stickney В., Nguyen В., Basol В., Uzoh C., Talieh H. Topography reduction for copper damascene interconnects. -Solid State Technology, 2003, № 8, pp. 49-54.

65. Kondo S., Sakuma N., Homma Y., Goto Y., Ohashi N., Yama guchi H., Owada N. Abrasive-free polishing for copper damascene interconnection. -J. Electrochem. Soc., 2000, v. 147, №10 pp. 3907-3913.

66. Lebrecht von Trotha et al. Advanced MEMS fabrication using CMP. -Semiconductor International, 2004, v. 8, №1.

67. T. Du et al. Chemical mechanical polishing of nickel for application in MEMS devices. -Microelectronic Engineering, August 2004, Volume 75, Issue 2, pp. 234-241.

68. Zeidler D., Stavreva Z., Plotner M., Dresher K., The interaction between different barrier metals and the copper surface during the chemical-mechanical polishing. -Microelectronic Engineering, 1997, v. 37/38, pp. 237-243.

69. Комник Ю.Ф. Физика металлических пленок. -М.: Атомиздат, 1979.

70. Гладких Н.Т. и др. Диаграммы состояния тугоплавких ОЦК-металлов в тонких плёнках: В кн.: -Нитевидные кристаллы и неферромагнитные плёнки. -Воронеж: Изд. ВПИ, 1970, ч. 2, 122 стр.

71. Denbigh P.N., Marcus R.B. Structure of very thin tantalum and molybdenum films. -J. Appl. Phys., 1966, v.37, p. 4325.

72. Бублик А.И., Пинес Б.Я. Фазовый переход при изменении толщины в тонких металлических плёнках. ДАН СССР, 1952, т.87, 907 стр.

73. Платник J1.C. Комник Ю.Ф. Исследование температуры плавления тонких конденсированных слоев Sn и Bi ФММ, 1960, т.9, 374 стр.

74. Wronski C.R.M. The size dependence of the melting point of small particles of tin. -Brit. J. Appl. Phys, 1967, v. 18, p. 1731.

75. Coombes C.J. The melting of small particles of lead and indium. -J. Phys. F: Metal Phys., 1972, v. 2. p. 441.

76. Гладких H.T. и др. Понижение температуры плавления тонких плёнок висмута на различных подложках. В кн.: -Поверхностная диффузия и растекание. -М.: Наука, 1969, 222 стр.

77. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы. -М.: Просвещение, 1991, 367 стр.

78. Сивухин Д.В. Термодинамика и молекулярная физика. -М.: Наука, 1990, 592 стр.

79. Захаров Н.П., Багдасарян А.В. Механические явления в интегральных структурах. -М.: Радио и связь, 1992, 144 стр.

80. Чистяков Ю.Д., Райнова Ю.П. Физико-химические основы технологии микроэлектроники. М.: Металлургия, 1979. 409 стр.

81. Мочалов А.И., Пугачевич В.П. Материалы и методы создания слабопроникающих термостабильных контактов кремниевых ИС. -Физико-химические процессы микроэлектронной технологии. Сб.науч.тр. М.: МИЭТ. 1993, 65-97 стр.

82. Касенов Б.К., Алдабергенов М.К., Пашинкин А.С. Термодинамические методы в химии и металлургии. -Алма-Ата: Учебно-научно-производственная внедренческая фирма «Айдын», 1994.

83. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов. -М.: Металлургиздат, 1962, т. 1 ит. 2.

84. Larry Kaufman, Р.Е.А. Turchi, Weiming Huang, Zi-Kui Liu. Thermodynamics of The Cr-Ta-W System by Combining the Ab Initio and CALPHAD Methods. -Calphad, 2001, v. 25, №3, pp. 419-433.

85. Громов Д.Г. Физико-химические процессы формирования многослойной структуры при твердофазном взаимодействии тонких пленок сплавов переходных металлов с кремнием -Известия вузов: Электроника, № 1-2, 1999, 17-30 стр.

86. Gromov D.G., Mochalov A.I., Pugachevich V.P., Sorokin I.N. Interaction between binary alloy thin films and silicon substrate: the conditions of bilayer formation and the effect of additional component -Appl. Phys. A, 2000, v. 70, pp. 333-340.

87. Плазменная технология в производстве СБИС. Пер. с англ. Под ред. Айнспрука Н.Г. и Брауна Д.М. -М.: Мир, 1987.-470с.

88. Z. Zhang, М. Zhao, Q. Juang. Melting temperatures of semiconductor nanocrystals in the mesoscopic size range. -Semicond. Sci. Technol. 2001, v. 16, pp. 33-35.

89. Goldstein A.N., Ether C.M., Alivisatos A.P. -Science, 1992, v.256, p. 1425.

90. Shi F.G. -J. Mater. Res., 1994, v.9, 1307.

91. N.V. Rozhanskii, V.O. Lifshits, A.G. Akimov. ТЕМ study of the growth of Pd2Si islands from Pd-Ta films on Si. -Philosophical Magazine A, 1992, vol. 66, № 2, pp. 307318.

92. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. -М.: Энергия, 1978, 280 стр.1. УТВЕРЖДАЮ1. Директор

93. Федерального государственного унитарногой

94. Акт об использовании результатов диссертационной работы Климовицкого А.Г.

95. УТВЕРЖДАЮ Заместитель ген. Директора по HP, и завод «Микрон»1. П.С. Приходько2004г.1. МП

96. Акт об апробации результатов диссертационной работы Климовицкого А.Г.

97. Разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня»

98. Акт об использовании в учебной работе результатов диссертационной работы «Разработка материалов и процессов для формирования системы металлизации СБИС субмикронного уровня» Климовицкого А.Г.

99. В курсе лекций «Технология интегральных микросхем» использован аналитический и экспериментальный материал, касающийся стабильности системы металлизации и технологии изготовления межсоединений СБИС.