МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 40, № 5, с. 344-350
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.382.8.002
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ БАРЬЕРНОГО СЛОЯ НА НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ИС
© 2011 г. А. В. Емельянов1, В. А. Емельянов1, С. Ф. Сенько2
1НПО "Интеграл" 2Физико-технический институт НАНБелоруссии Поступила в редакцию 21.04.2010 г.
Проведены сравнительные испытания надежности систем металлизации с барьерными слоями кремния, сформированными в различных условиях. Показано, что использование гидрогенизиро-ванного аморфного кремния, полученного разложением моносилана при пониженной температуре, позволяет достигнуть максимальных значений энергии активации электромиграции. Тем не менее, для современных субмикронных ИС с высокоразвитым микрорельефом, основным фактором, определяющим их надежность, является изменение характеристик токопроводящих дорожек на ступеньках топологической структуры.
1. ВВЕДЕНИЕ
Возрастание степени интеграции ИС характеризуется значительным уменьшением размеров активных элементов, что позволяет увеличить их количество на одном кристалле. В свою очередь, это требует соответствующего увеличения суммарной длины электрических межсоединений. Поскольку уменьшение площади поперечного сечения проводников приводит к недопустимому увеличению их электрического сопротивления, то площадь кристалла, занятая электрической разводкой, оказывается намного больше площади, занимаемой активными элементами [1, 2]. Кроме того, уменьшение размеров элементов приводит к значительному повышению используемых рабочих плотностей электрического тока, что приводит к деградации электрических характеристик токопроводящих систем и их отказу. Это связано с тем, что при протекании тока высокой плотности наблюдается явление массо-переноса материала проводника в направлении по-
тока электронов, приводящее к его разрыву. Данное явление получило название электромиграции, и на сегодняшний день надежность и долговечность работы большинства полупроводниковых приборов определяется устойчивостью их токопроводящих систем именно к этому явлению [3—6].
Оценку устойчивости системы металлизации полупроводниковых приборов к электромиграции проводят обычно путем измерения времени р при котором происходит разрыв токоведущей дорожки испытываемой тестовой структуры при повышенных температуре (до 250°С) и плотности протекающего через структуру тока (около 106 А см-2). Величина называется временем разрушения или временем наработки на отказ (ВНО). Полученные при условиях испытаний данные экстраполируют на нормальные условия работы прибора. Математически связь между tр и условиями испытаний выражается как
S J7-2 I Еа\
— = Fi exp--- ,
t„ \ kT!
где Б — поперечное сечение проводника, ¥ — эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик токопроводящей системы, удельного сопротивления материала пленки, условий теплоотвода, особенностей микрорельефа структуры и т.п., ] — плотность тока через структуру, Еа — энергия активации процесса электромиграции, к — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура [6].
Отсюда видно, что при повышении степени интеграции, приводящем к уменьшению площади поперечного сечения проводников Б и возрастанию
плотности тока ], стойкость любой токопроводя-щей системы к электромиграции снижается.
Резервом повышения надежности системы металлизации является повышение энергии активации Еа процесса электромиграции. При повышении энергии активации всего на 0.1 эВ, надежность токопроводящей системы увеличивается в ~55 раз. Величина Еа зависит как от материала проводника, так и от его кристаллической структуры.
Одним из факторов, снижающим надежность систем металлизации, является высокая раствори-
мость кремния в алюминии. Энергия активации диффузии кремния в алюминии составляет 0.95 эВ [6]. Это меньше, чем энергия активации самодиффузии алюминия. Под воздействием технологических факторов в процессе изготовления приборов, а также под воздействием электрического поля в процессе их эксплуатации это приводит к возникновению выделений кремния в материале металлизации и снижению его электропроводности. В свою очередь, это влечет локальный разогрев дорожки металлизации в области выделений и ее последующий разрыв вследствие электромиграции.
Очевидным способом снижения растворимости кремния в алюминии является легирование алюминиевой пленки кремнием. Концентрация кремния в алюминии при этом выбирается близкой к составу эвтектики (98.68% А1 + 1.32% 81). Наличие кремния в пленке алюминия замедляет процесс растворения материала подложки в пленке, но не решает проблему полностью. Это связано с тем, что алюминий также взаимодействует с материалом межуровнево-го диэлектрика, в качестве которого наиболее часто используются пленки на основе диоксида кремния, с образованием оксида алюминия и кремния, которые высаживаются на границе раздела металл-диэлектрик. Образовавшийся кремний легко мигрирует в пленке, и даже значительная начальная концентрация кремния в пленке алюминия не может предотвратить данный процесс [4].
Наиболее эффективным методом снижения мас-сопереноса кремния в алюминии оказалось использование барьерного слоя поликристаллического или аморфного кремния на границе раздела алюминий-диэлектрик. Пленка кремния препятствует процессу взаимодействия металла с диоксидом кремния. Термообработка такой системы в процессе ее изготовления приводит к локальному насыщению пленки алюминия кремнием, что снижает растворимость материала подложки (кремния) в материале токове-дущей системы, а также повышает устойчивость системы к электромиграции.
Режимы формирования барьерного слоя оказывают существенное влияние на его свойства и характеристики системы металлизации в целом. Имеющиеся литературные данные по надежности систем металлизации получены в различное время для различных типов структур. Поэтому, в связи с постоянным совершенствованием процессов формирования различных пленок, а также различным уровнем сложности используемых структур при проведении испытаний, они не могут быть использованы для объективной сравнительной оценки эффективности того или иного процесса.
В настоящей работе рассмотрено влияние режимов формирования барьерного слоя на надежность системы металлизации. Для этого были проведены сравнительные испытания систем металлизации,
полученных различными способами, на устойчивость к электромиграции на однотипных структурах.
2. ОБРАЗЦЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследования проводили на тестовых кремниевых структурах двух типов, изготовленных на пластинах диаметром 100 мм. Структуры первого типа (А) обладали несложным микрорельефом и одноуровневой системой металлизации. Структуры второго типа (Б), наоборот, обладали развитым микрорельефом и двухуровневой электрической разводкой. В качестве разводки первого уровня при этом использовали поликристаллический кремний толщиной 0.65 ± 0.05 мкм и поверхностным сопротивлением 28 Ом/квадрат.
Активные элементы структур формировали стандартными методами в соответствии с требованиями действующей технической документации. При этом сопротивление п+ — областей кремния составляло 4 Ом/квадрат, ар+ — областей — 160 Ом/квадрат. В качестве межуровневого диэлектрика использовали низкотемпературный диоксид кремния (НТО) толщиной 0.65 ± 0.05 мкм. Систему металлизации формировали путем последовательного нанесения материала барьерного слоя и металлического сплава. Барьерные слои наносили на установке "Изотрон-1" путем термического разложения моносилана при пониженном давлении при температурах 575°С, 675°С и 730°С. Толщина полученной пленки во всех случаях составила 7—10 нм. В качестве точек технологического маршрута для формирования барьерного слоя были выбраны две:
а) до формирования окон в межуровневом диэлектрике;
б) после формирования окон непосредственно перед напылением металла.
Пленку алюминия с добавкой 1% кремния наносили методом магнетронного напыления. Ее толщина составила во всех случаях 1.0 ± 0.1 мкм. Далее стандартными методами формировали требуемый топологический рисунок токопроводящей системы и проводили ее термообработку при 450°С для получения требуемой кристаллической структуры. Затем формировали пассивирующее покрытие (НТО) требуемой конфигурации и проводили контроль электрофизических характеристик полученных структур. В итоге было изготовлено и исследовано 2 х 3 х 2 = 12 вариантов структур.
Анализ топологических особенностей полученных структур проводили методами растровой электронной микроскопии на микроскопе модели Hitachi S-806.
Измерение переходного контактного сопротивления проводили на цепочках из 20 контактов. Оценку устойчивости системы металлизации к электромиграции проводили в соответствии с [7] на
Электрофизические характеристики полученных систем металлизации
Тип структур Температура нанесения барьерного слоя, °С Порядок нанесения барьерного слоя Сопротивление цепочки контактов А1—и+—кремний, Ом Сопротивление цепочки контактов А1—р+—кремний, кОм Сопротивление цепочки контактов А1-поли-81, Ом Энергия активации электромиграции, эВ
А 525 до ф/л 55 2.2 - 1.03
А 590 до ф/л 55 2.2 - 0.72
А 640 до ф/л 54 2.2 - 0.68
А 525 после ф/л 55 2.1 - 1.09
А 590 после ф/л 55 2.2 - 0.78
А 640 после ф/л 52 2.2 - 0.76
Б 525 до ф/л 53 2.1 390 0.67
Б 590 до ф/л 52 2.1 380 0.45
Б 640 до ф/л 55 2.2 405 0.43
Б 525 после ф/л 56 2.2 385 0.70
Б 590 после ф/л 54 2.1 400 0.51
Б 640 после ф/л 55 2.2 395 0.49
основании зависимости времени наработки на отказ от условий испытаний. Испытания проводили при температурах 398 К и 523 К и плотности тока 106 А см-2. По полученным экспериментальным значениям строили зависимости ln(S/tpFf^) — 1000/Г и на основании тангенса угла наклона полученной прямой определяли Еа.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты контроля переходного контактного сопротивления А1—п+—кремний, А1—р+—кремний и А1-поли-81 и энергии активации электромиграции для всех вариантов изготовления структур приведены в таблице. Из таблицы видно, что электрические характеристики (за исключением Еа) всех полученных систем металлизации являю
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.