МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 4, с. 282-289
= ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.382.032.27
ФОРМИРОВАНИЕ МЕЖЭЛЕМЕНТНОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ GaAs МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ МЕДИ © 2015 г. С. В. Ишуткин1, В. А. Кагадей2, Е. В. Ерофеев2, Е. В. Анищенко2
Научно-исследовательский институт систем электрической связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники 2ЗАО "Научно-производственная фирма "Микран"" E-mail: ishsv@mail.ru Поступила в редакцию 22.09.2014 г.
Представлены технологические решения по формированию межэлементной металлизации GaAs СВЧ-монолитных интегральных схем на основе тонкопленочной композиции W/Cu/WNX. Особенность предложенных решений заключается в том, что впервые с применением, традиционного для производства GaAs монолитных интегральных схем, метода обратной литографии были созданы медные проводники, вся поверхность которых была полностью окружена слоями диффузионных барьеров. Медные проводники толщиной 380 нм осаждались методом электронно-лучевого испарения в вакууме, слои планарных и торцевых диффузионных барьеров на основе W и WNX — магне-тронным распылением. С целью эффективного формирования торцевых диффузионных барьеров на вертикальных поверхностях медных проводников была проведена оптимизация профиля окон в двухслойной резистивной маске. Представлены режимы снятия фоторезистивной маски, позволяющие эффективно удалять металлические "вуали", образованные паразитным осаждением пленок диффузионных барьеров на вертикальные стенки резистивной маски при магнетронном распылении. Разработанные процессы были интегрированы в технологический маршрут изготовления GaAs СВЧ малошумящих усилителей на основе транзисторов с высокой подвижностью электронов с T-образным затвором, имеющим длину основания 250 нм.
DOI: 10.7868/S0544126915030035
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в кремниевой микроэлектронике Си используется в качестве основного материала межэлементной и межуровневой металлизации интегральных схем (ИС) [1]. В микроэлектронике на основе ОаАз для создания межэлементной металлизации традиционно применяется Аи. В связи с тем, что Си характеризуется лучшими электрофизическими свойствами и имеет существенно более низкую стоимость, разработка технологии медной металлизации для СВЧ
ОаАз монолитных ИС (МИС) представляется задачей имеющей высокую практическую значимость. Актуальность работы в данном направлении обусловлена одним из базовых трендов современной микроэлектроники — гетероинтеграцией полупроводниковых материалов. Применение транзисторов на основе различных полупроводниковых материалов (81, 81Ое и полупроводниковых соединений из групп А3В5) в составе одной ИС требует создания единой межэлементной и межуровневой разводки, которую оптимально выполнить на основе меди [1—5].
Известно, что применению медной металлизации в ОаАз МИС препятствует ряд проблем.
Медь в ОаАз является быстро диффундирующей примесью ^-типа проводимости [6—7], медь легко
окисляется [8], а также активно взаимодействует с рядом веществ, традиционно используемых в производстве ОаАз МИС [9]. Для предотвращения диффузии меди используются слои диффузионных барьеров (ДБ) на основе тугоплавких металлов Та, Мо, Р1, W и др. [1, 10—13], а также нитридов металлов ТМ ТаМ ^ [1, 14, 15]. Положительным моментом является тот факт, что в технологии ОаАз МИС в качестве межуровнего диэлектрика используется 81хМу, который хорошо совместим с Си [1].
Из анализа данных [9—16] можно сделать вывод, что в исследованиях, направленных на разработку медной металлизации для ОаАз МИС, использовались только планарные диффузионные барьеры, а на вертикальных (торцевых) поверхностях медных проводников барьеры не создавались. Так, в работе [13] для формирования омического контакта к ^+-слою 1пОаР/ОаАз гетеробиполяр-ного транзистора использовалась тонкопленочная композиция Р^Т/Р/Си, а межэлементные соединения выполнялись на основе тонких пленок Т/Р^Си. Толщина планарного барьерного слоя Р1 составляла 60 нм. Для защиты медного проводника от окисления его поверхность пассивировалась слоем Б^М толщиной 40 нм. В работе [14] воздушные мосты для ОаАз транзистора с высокой
Рис. 1. Конструкция межэлементной металлизации на основе Cu для GaAs СВЧ МИС малошумящего усилителя.
подвижностью электронов формировались посредством электрохимического осаждения пленки Cu. В качестве затравочного слоя использовалась тонкопленочная композиция WNX/Cu, сформированная методом магнетронного распыления. В работе [15] исследовалась термостабильность многослойной композиции TaN/Cu/TaN с двумя планар-ными барьерами. Все три слоя формировались магнетронным осаждением, второй слой TaN формировался для защиты Cu от окисления.
При изготовлении кремниевых ИС используется дамасский (damascene) процесс и медный проводник по всей своей поверхности окружен слоями планарных и торцевых диффузионных барьеров. В качестве барьеров используются проводящие пленки TiN/Ti, TaN/Ta и слои диэлектрика, в частности, Si3N4. Это обеспечивает высокую надежность ИС.
Отсутствие торцевого диффузионного барьера у медных проводников в GaAs МИС существенно снижает их надежность и ставит задачу по разработке технологии их изготовления. Сложность формирования торцевых диффузионных барьеров обусловлена тем, что в технологии GaAs МИС традиционно используется метод электроннолучевого (термического) осаждения металлических пленок, а также обратная ("взрывная") литография. При термическом испарении, вследствие направленного характера транспорта атомов металла, осаждение торцевых диффузионных барьеров на вертикальных поверхностях медного проводника не реализуется. Однако термическое осаждение пленки Cu с предшествующим и последующим магнетронным осаждением слоев диффузионных барьеров может позволить создать вокруг медного проводника как планарные, так и торцевые диффузионные барьеры.
Широко используемый в технологии GaAs метод обратной литографии хорошо совместим с термическим напылением тонких пленок, но
практически не используется при их магнетрон-ном осаждении. Это обусловлено ненаправленным (конформным) характером осаждения атомов металла на вертикальные стенки двухслойной резистивной маски, что существенно осложняет процесс удаления маски вследствие того, что осажденный металл препятствует доступу растворителя к резисту. В связи с этим возникает задача по оптимизации процессов обратной литографии и, в частности, усовершенствования процесса удаления резистивной маски после осаждения слоев диффузионных барьеров методом магнетронного распыления.
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Конструкция разрабатываемой межэлементной металлизации ОаА СВЧ МИС в области отдельного транзистора с высокой подвижностью электронов, представлена на рис. 1. Металлизация на основе тонкопленочной композиции DB1/Cu/DB2 имеет общую толщину 440—470 нм. Слой диффузионного барьера DB1 препятствует диффузии меди в нижележащие элементы МИС, формируя нижний планарный барьер. Слой DB2 создает верхний планарный и торцевые барьеры, которые с одной стороны препятствуют диффузии меди, а с другой — защищают ее от воздействия внешней среды. В качестве слоев DB1, DB2 используются пленки W и WNX. Межэлементная металлизация по площади пластины ОаАз располагается на слое Вг^,. Данный слой является дополнительным диффузионным барьером для атомов Си, используется для пассивации поверхности транзисторов, а также для формирования слоя диэлектрика тонкопленочных конденсаторов. Под слоем диэлектрика располагаются транзисторы, нижняя обкладка конденсаторов, а также контактные площадки МИС. Для осуществления электрического контакта к этим элементам в диэлектрике формируются окна. Боковые стенки
Режимы предварительной обработки образцов в жидких средах с активацией ультразвуком; 30 с УЗ — означает длительность обработки в жидкой среде с УЗ активацией, 60 с — длительность выдержки в жидкой среде без УЗ активации
№ Среда Режим обработки
1 Изопропиловый спирт 30 с УЗ + 60 с + 30 с УЗ
2 Изопропиловый спирт 60 с + 30 с УЗ + 60 с + 30 с УЗ
3 М-метилпирролидон 30 с УЗ + 60 с + 30 с УЗ
4 М-метилпирролидон (5 с УЗ + 5 с) х10 раз + 60 с + 30 с УЗ
5 М-метилпирролидон + изопропиловый спирт (1 5) 30 с УЗ + 60 с + 30 с УЗ
6 М-метилпирролидон + изопропиловый спирт (1 5) (5 с УЗ + 5 с) х10 раз + 60 с + 30 с УЗ
7 Ацетон 30 с УЗ + 60 с + 30 с УЗ
8 Ацетон (5 с УЗ + 5 с) х10 раз + 60 с + 30 с УЗ
9 Раствор МР319 в деионизованной воде (1 : 1) (5 с УЗ + 5 с) х10 раз + 60 с + 30 с УЗ
10 Раствор МР319 в деионизованной воде (1 : 5) (5 с УЗ + 5 с) х10 раз + 60 с + 15 с УЗ
11 Раствор МР319 в деионизованной воде (1 : 10) (5 с УЗ + 5 с) х 8 раз
окон имеют пологий профиль, что препятствует образованию разрывов в проводниках межэлементной металлизации.
В первой серии экспериментов, направленных на оптимизацию формы и размеров окон в фото-резистивной маске, применяемой при осаждении многослойной металлизации, использовались пластины полуизолирующего ОаА диаметром 100 мм. На поверхность пластины методом центрифугирования последовательно наносилась двухслойная маска на основе фоточувствительных резистов LOR 5В и AZ1505. Толщина слоя LOR 5В варьировалась от 600 нм до 1000 нм, для слоя AZ1505 она составляла 500 нм. Формирование рисунка межэлементной разводки в резистив-ной маске осуществлялось методом контактной литографии. Проявление окон в маске выполнялось в растворе гидроксида тетраметиламмония. При оптимизации профиля окон изменялись толщина и величина бокового проявления нижнего слоя рези-ста. По сформированной маске проводилось напыление тонкопленочной композиции '/Си/Ш Осаждение пленок ' проводилось с помощью магне-тронного распыления на постоянном токе ^С режим) в среде аргона. Толщина пленок изменялась от 40 до 100 нм. Формирование пленки Си толщиной 350 нм выполнялось методом электронно-лучевого испарения в вакууме. После напыления металлизации резистивная маска удалялась в М-ме-тилпирролидоне (НМП).
Вторая серия экспериментов была направлена на оптимизацию процесса удаления резистивной маски после осаждения металлизаци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.