способ изготовления медной многоуровневой металлизации сбис

Формула изобретения

1. Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС, включающий операции нанесения металлических и диэлектрических слоев, фотолитографию и селективное травление этих слоев, химико-механическую полировку диэлектрических слоев, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества медных проводников, на пластину кремния, покрытую диэлектриком, с выступающими на ее поверхности вертикальными проводниками нижележащей структуры наносится многослойная проводящая пленка, состоящая из адгезионно-барьерного, затравочного и вспомогательного слоев, в вспомогательном слое формируются канавки до затравочного слоя, электрохимическим методом, внутри канавок на открытых участках затравочного слоя выращиваются медные горизонтальные проводники до полного заполнения канавок, на поверхность пластины наносится второй вспомогательный слой, в котором формируются отверстия до поверхности горизонтальных медных проводников, электрохимическим методом на открытых участках горизонтальных проводников выращиваются вертикальные медные проводники до полного заполнения отверстий для вертикальных проводников, далее удаляются второй и первый вспомогательные слои, удаляются проводящие слои между горизонтальными медными проводниками, далее на поверхность пластины наносятся диэлектрические слои сглаживающим и заполняющим методами и далее методом химико-механической полировки слои диэлектрика над вертикальными проводниками удаляются.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве вспомогательного слоя могут использоваться слои двуокиси кремния, органических и кремнийорганических полимеров, фоторезиста и других диэлектриков, в частности многослойных, которые не деградируют в процессе электрохимического осаждения меди и могут быть удалены селективно по отношению к сформированным медным проводникам и нижележащим слоям ранее сформированной структуры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для удаления проводящего слоя между горизонтальными проводниками используется метод нанесения барьерного слоя с ионизацией распыленного потока и обратным распылением, но с превышением скорости обратного распыления над скоростью нанесения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве затравочного слоя используются пленки Сu, Ni, CoWP.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении каждого вспомогательного слоя предусматривается его отсутствие по краю пластины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью улучшения кристаллической структуры и микрорельефа поверхности медных проводников, процесс электрохимического осаждения проводится в переменном режиме осаждение/стравливание с преобладанием осаждения.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью защиты поверхности затравочного слоя от взаимодействия с вспомогательным слоем как во время его формирования, так и удаления на поверхность затравочного слоя наносится проводящая защитная пленка, которая селективно к затравочному слою удаляется после формирования в вспомогательном слое горизонтальных канавок и вертикальных отверстий.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что после электрохимического осаждения меди в канавки для горизонтальных проводников и отверстия для вертикальных проводников поверхность меди электрохимическим способом локально покрывается проводящей защитной пленкой, в частности, позволяющей снизить механические напряжения между пленкой меди и межуровневой изолирующей пленкой.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что при использовании фоторезиста в качестве вспомогательного слоя, с целью повышения устойчивости фоторезистивной маски к процессу электрохимического осаждения меди, при ее формировании используются адгезионные подслои и методы ультрафиолетовой и СВЧ-обработок.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения эффективного значения диэлектрической постоянной системы диэлектрической изоляции многоуровневой металлизации созданием пустот между близко расположенными проводниками, после формирования горизонтальных и вертикальных медных проводников на поверхность пластины вначале наносится диэлектрический слой из плазмоактивированной газовой фазы (ОГФ НК) в режиме неконформного осаждения.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что, с целью полной герметизации пустот между близко расположенными проводниками, основная длина зазоров между горизонтальными проводниками должна иметь одинаковую минимально разрешенную ширину, а режим осаждения диэлектрической пленки неконформным методом должен позволить полностью замкнуть пустой объем в зазорах между горизонтальными проводниками минимального размера как в верхней части зазоров, так и по их торцам сверху донизу.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что, с целью полного заполнения (исключения возможности образования на поверхности пластины щелевидных впадин после удаления методом ХМП диэлектрического слоя над вертикальными проводниками), образовавшегося после нанесения диэлектрика неконформным методом сложного профиля рельефа поверхности вне областей с пустотными зазорами, используется комбинация процессов сглаживающего нанесения диэлектрика из плазмоактивированной газовой фазы с подачей электрического смещения на пластину и заполняющего метода ХНР из жидкой фазы.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что, с целью воспрепятствования возможной диффузии ионов меди к транзисторной структуре, после нанесения заполняющего слоя диэлектрика часть диэлектрика в плазме стравливается до образования над поверхностью пластины выступов вертикальных проводников, далее на пластину наносится диэлектрическая барьерная пленка, толщина которой превышает высоту выступов, и методом химико-механической полировки слой диэлектрика над вертикальными проводниками удаляется.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической барьерной пленки используются слои типа SixCy, SixNy, SixCyNz, где x, у, z показывают относительное содержание указанных элементов в пленке.

15. Способ по п.12, отличающийся тем, что, с целью исключения образования на поверхности пластины неконтролируемых впадин, минимально низкий уровень на поверхности заполняющего слоя должен быть выше верхнего уровня нижележащего вертикального проводника.

16. Способ по п.12, отличающийся тем, что, с целью исключения образования на поверхности пластины неконтролируемых впадин и создания условий для гарантированного заполнения зазоров большего размера, они должны быть шире зазоров минимального размера не менее чем в два-четыре раза.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области электронной техники: технология изготовления многоуровневой металлизации интегральных схем.

Уровень техники

В настоящее время в производстве СБИС в качестве проводников в многоуровневых межсоединениях СБИС используются два типа материала: алюминий и медь. Алюминий используется в микросхемах с проектными нормами 0,18 мкм и выше. Медь используется в СБИС с проектными нормами ниже 0,18 мкм. Связано это с тем, что с уменьшением проектной нормы сопротивление проводников начинает существенно влиять на быстродействие интегральной схемы. Однако величина задержки сигнала t в системе межсоединений зависит не только от общего сопротивления проводников, она также определяется емкостью С в системе межсоединений. Величина t прямо пропорциональна произведению RC. Переход на медные проводники определялся его низким сопротивлением (примерно вдвое более низкое, чем у алюминия). В то же время из-за отсутствия у меди летучих соединений при относительно низких температурах использовать технологию непосредственного травления меди через фоторезистивную маску не представлялось возможным. Поэтому был придуман процесс Дамасцен, в котором в диэлектрическом слое вытравливается канавка, на поверхность пластины, на стенки и дно канавок наносится адгезионнобарьерная пленка и затравочный слой меди и далее на всю пластину, включая и внутреннюю полость канавок, электрохимическим способом наносится медь до полного заполнения канавок. С поверхности пластины слои меди и барьерного слоя удаляются химико-механической полировкой. Этот процесс по аналогии с Дамасской инкрустацией назвали Дамасценом. При формировании многоуровневой металлизации, включающей как горизонтальные проводники одного уровня, так и вертикальные, соединяющие проводники различных уровней, процесс

медного Дамасцена используется в виде Двойного Дамасцена, в котором в диэлектрическом слое вытравливаются не только канавки, но и отверстия для формирования вертикальных проводников. Нанесение барьерного и затравочного слоев, а также осаждение меди происходит одновременно в канавки и вертикальные отверстия. Процесс ДД оказался выгодным для производства, Число операций в нем примерно на 30% меньше, чем в алюминиевом процессе. Обычно слои диэлектриков, в которых формируются канавки для горизонтальных и отверстия для вертикальных проводников, разделяются диэлектрическими стопорными слоями, которые одновременно являются барьером для миграции ионов меди и служат для остановки травления.

В Интернете опубликован перечень патентов, посвященных различным совершенствованиям процесса ДД [1]. Сейчас в нем зафиксировано 8808 патентов. На Рис.1 представлен один из вариантов маршрута ДД из этого перечня. Его мы и используем в качестве прототипа [2].

В позиции 1 на Рис.1 представлен фрагмент пластины кремния с не показанными транзисторными и проводниковыми структурами, в которой в верхнем слое диэлектрика на поверхность выступают вертикальные проводники, контактирующие с нижележащими элементами структуры. Сверху нанесена многослойная диэлектрическая пленка, включающая нижний, средний и верхний стопорные, барьерные слои и между ними нижний межуровневый и верхний внутриуровневый изолирующие слои

Обычно первый горизонтальный уровень проводников, контактирующий с транзисторной структурой, и первый вертикальный проводник делаются из вольфрама. При этом первый горизонтальный уровень медных проводников приходится делать по процессу одинарного Дамасцена, что несколько удлиняет общий маршрут.

Процесс ДД по сравнению с алюминиевым позволил не только исключить травление металла (меди), но также позволил сократить общее количество технологических операций (примерно на 30%) и номенклатуру оборудования. В то же время он внес серьезные усложнения в целый ряд операций. Во-первых, общая глубина траншеи и переходного окна увеличилась до ~1,0 мкм. Это создало большие трудности (Проблема 1 ) при нанесении на стенки и дно таких канавок и узких глубоких отверстий тонких барьерных и зародышевых слоев (Рис.2 [3]). Очень важно, чтобы эти слои были непрерывными на всех участках канавок и отверстий, а барьерный слой, занимающий внутри этих участков двойную толщину, должен иметь необходимую, но и минимальную толщину, чтобы основной проводник из меди был наибольшего объема. У барьерного слоя несколько функций: он является барьером против диффузии меди в слой изолирующего диэлектрика и является адгезионным подслоем для затравочного слоя. Необходимость исключения проникновения меди в изолирующие слои связана с высокой диффундирующей способностью меди через некоторые диэлектрические слои, например диоксида кремния. Достигая транзисторной структуры, медь выводит интегральную схему из строя (Проблема 2).

При электрохимическом осаждении узкие канавками заполняются быстрее, чем широкие. Из-за этого приходится наносить «излишне» толстую пленку меди, чтобы минимальный уровень поверхности пленки меди над широкими канавками был на всей пластине выше уровня поверхности пластины до нанесения барьерного слоя.

При химико-механическом удалении с поверхности пластины меди и далее барьерного слоя с участков широких проводников продолжается некоторое удаление меди из-за большей жесткости барьерного слоя, создавая условия для эрозии (Dishing, Рис.3) этих участков (Проблема 3).

Если в алюминиевом техпроцессе ХМП используется только для планаризации поверхности диэлектрического слоя, то в процессе ДД процесс ХМП меди используется как для планаризации поверхности пластины, так и для разделения медных проводников на всей пластине, а это значительно более сложная задача.

Сложность процесса ХМП пленок меди побуждает многих исследователей заниматься поиском методов локального осаждения меди только в канавки и контактные окна [4]. Нами также запатентован один из таких электрохимических способов [5].

Одной не до конца решенной проблемой медной металлизации ДД является меньшая, чем ожидалось, и недостаточная воспроизводимость устойчивости к электромиграционному разрушению. Это определяется высокой дефектностью кристаллической структуры пленки меди, осаждаемой электрохимическим способом, особенно из-за включения в пленку меди углерода, который присутствует в электролите в составе органических добавок, например, для осветления поверхности [6]. В этой работе показано, что из-за высокой дефектности кристаллической структуры медных пленок сразу после электрохимического осаждения их электрическое сопротивление и механические напряжения в них начинают уменьшаться. Это происходит при комнатных температурах и может длиться до достижения минимальных значений от нескольких часов до нескольких месяцев. Высокая дефектность кристаллической структуры медных проводников, безусловно, является основным фактором, определяющим их устойчивость к электромиграции. В ряде работ, например в [7], показано, что, изменяя материал, разделяющий поверхность медного проводника от изолирующего диэлектрика, можно в значительных пределах управлять электромиграционной устойчивостью медных проводников. Из Рис.4 [7] видно, что медные проводники, покрытые стандартными для ДД технологии диэлектрическими слоями типа SiNx и SiCxNyHz, имеют самую низкую энергию активации процесса электромиграции. Только в 1,4 раза выше энергия активации процесса электромиграции медных проводников при защите их поверхности стандартным барьерным слоем Ta/TaN. В то же время защита открытой поверхности меди кобальтом, легированным W и Р, позволяет увеличить энергию активации электромиграции в разы.

Следовательно, имеются большие резервы по улучшению устойчивости медных проводников электромиграционному разрушению. Поиску решения этой задачи сейчас уделяется большое внимание. Для этого, в частности, ведутся разработки [8] по локальному химическому осаждению кобальта. Однако окончательных промышленных результатов из-за ряда возникших трудностей пока не достигнуто. Исследования процесса электромиграционного разрушения медной многоуровневой металлизации показали, что существуют ранние отказы, связанные с отказами вертикальных проводников, и поздние отказы, связанные с горизонтальными проводниками [9]. Эти отказы приписываются возникновению и перемещению по проводникам пустот (Рис.5 [10]). Можно предположить, что ранние отказы вертикальных проводников связаны с тем, что удельное соотношение поверхности вертикального проводника к его объему существенно превышает аналогичное соотношение для горизонтального проводника. Фактически основной причиной, меньшей, чем ожидалось, устойчивости медных проводников к электромиграции является высокая дефектность кристаллической структуры электрохимически осажденной меди. Есть еще одна трудная проблема современного Двойного Дамасцена. Скорость осаждения меди в различных участках траншеи и контактных окон обычно должна уменьшаться с удалением от поверхности пластины. Это приводит к тому, что на вершине траншеи противостоящие два фронта осаждающейся меди смыкаются раньше, чем на дне. Это приводит к образованию пустот в медных проводниках (Рис.3 и Рис.7 [17]), что снижает надежность проводников и увеличивает их сопротивление (Проблема 4). Непрерывное уменьшение размера проводников привело к проявлению известных законов повышения объемного сопротивления металлической пленки с уменьшением ее толщины.

На Рис. 6 [11] показано, как изменяется среднее удельное сопротивление медного проводника, окруженного с боков и снизу барьерным слоем с уменьшением ширины проводников. Ширина проводника в Дамасской структуре эквивалентна двум сложенным слоям, каждый из которых состоит из барьерного, медного затравочного и медного электрохимического слоев. Чем тоньше барьерный слой, тем толще медный и ниже сопротивление проводника. Используя процесс нанесения барьерного слоя с ионизацией распыленного потока с одновременным обратным его распылением, удается повысить его равнотолщинность и тем самым уменьшить его среднюю толщину в пользу увеличения толщины меди. Этот же способ позволяет изменить профиль осаждаемого затравочного слоя меди у дна канавки, создавая профиль раскрытый кверху (суперзаполнение, Рис.2 и 7). Однако с уменьшением ширины канавки среднее удельное сопротивление проводников резко увеличивается (Проблема 5 ). Проблема пока решается за счет значительного усложнения оборудования и повышения его цены?

С уменьшением ширины горизонтального и вертикального проводников барьерный слой, несмотря на свою малую толщину, начинает очень сильно влиять на среднюю величину удельного сопротивления проводников. Это также видно из Рис.8 [11], где сведены результаты исследования нескольких ведущих фирм.

В технологическом процессе ДД этот эффект усилен самой технологией изготовлении, т.к. медные проводники, формируемые этим способом, складываются из двух независимо выращенных слоев. Удельное сопротивление каждого из этих слоев, и можно предположить сдвоенного слоя, будет одинаковым и соответственно более высоким, чем для проводника той же ширины, но выращенного с одной затравки. Например, для траншеи шириной 100 нм в процессе ДД сдвоенный медный проводник без барьерных слоев имеет _v 2,88 мкОм·см, а с барьерными слоями _v 3,84 мкОм·см. Для медного проводника такой же ширины, но выращенного на одном затравочном слое удельное сопротивление без барьерных слоев будет равно _v 2,35 мкОм·см, а с барьерными слоями _v 2,69 мкОм·см. Следовательно, в случае с барьерными слоями толщиной 5 нм среднее удельное сопротивление проводников, изготовленных по процессу ДД, будет предположительно на 43% выше, чем у аналогичных медных проводников, изготовленных на одном затравочном слое. Для медного проводника без барьерных слоев эта разница может составить 23% - также существенная величина.

Отдельной возможностью повышения быстродействия СБИС является решение проблем формирования межпроводниковой изоляции с минимально возможной диэлектрической постоянной. Широко используемая в технологии СБИС диэлектрическая пленка из двуокиси кремния имеет диэлектрическую постоянную k 4,0-4,2, а воздушная прослойка позволяет сформировать изоляцию с k 1. Ведущие производители СБИС используют в производстве изолирующие слои с диэлектрической постоянной k 2,7-3,0. Достигается это, используя различные исходные кремнийорганические соединения (прекурсоры) и различные условия осаждения. Стоит задача освоить в производстве диапазон k 2,0-2,6. Этот диапазон k можно достигнуть за счет введения в пленку контролируемых по размеру пор. Однако необходимо отметить, что введение в диэлектрическую пленку углерода и пористости приводит к существенным ухудшениям механической и электрической прочности диэлектрических слоев (Проблема 6), что приводит к проблемам при химико-механической полировке. При использовании пористых пленок особенно усложняются вопросы интеграции технологических операций по маршруту изготовления. В частности, в процессе плазмохимического травления и при удалении фоторезиста в поры проникают продукты реакции, которые трудно впоследствии удалить (Проблема 7 ), что увеличивает эффективное значение k в этой области. При малых значениях ширины диэлектрических промежутков это практически может свести на нет эффективность введения пористости. В настоящее время ведутся широкие исследования различных способов создания воздушного зазора между близкорасположенными проводниками одного уровня. Считается, что именно этот подход является наиболее реальным и позволяет уменьшить эффективную диэлектрическую постоянную до 2,2-2,5. В работе [12] сделан вывод, что воздушные зазоры наступают даже быстрее, чем ожидалось. В литературе описаны два основных подхода к созданию воздушных зазоров между близкорасположенными проводниками одного уровня. В первом способе предлагается специально формировать пустоты (voids) в узких зазорах, используя неконформное активированное плазмой газофазное осаждение диэлектрического слоя, уменьшая тем самым эффективную диэлектрическую постоянную в области узких зазоров между проводниками. В узких зазорах два встречных фронта осаждения диэлектрического слоя в верхней части зазора смыкаются, образуя замкнутую пустую полость между параллельными проводниками. Однако с определенной, более широкой ширины зазоров и при определенной толщине слоя диэлектрика смыкание не происходит и на поверхности пластины появляются трещины в пустую область с очень непредсказуемым и сложным рельефом поверхности. В этой технологии имеются и другие проблемы. Одна из них заключается в возможности образования отверстия в созданную пустую область в зазоре, если отверстие для вертикального проводника из-за рассовмещения выступает за пределы нижнего проводника (это вполне реально, т.к. в настоящее время все топологические проекты создаются практически без запасов на рассовмещение). Следующая проблема состоит в том, что при нанесении неконформного диэлектрика загерметизировать пустую область в узком зазоре нужно не только в верхней части узких зазоров, но и в других участках топологии проводников, иначе при нанесении планаризующего диэлектрика методом ХНР раствор может проникнуть в пустую область и увеличить эффективное значение диэлектрической постоянной K. В работе [13] отмечается, что для освоения этого способа в производстве практически не требуются новые процессы и новые материалы. Проверка электрофизических характеристик параллельных проводников шириной 65 нм с воздушными зазорами также шириной 65 нм, изготовленными с использованием неконформного осаждения, показали, что пробивные напряжения и токи утечки в таких проводниках не уступают, а превосходят аналогичные характеристики проводников с зазорами, заполненными стандартными диэлектриками. Чтобы исключить возникновение перечисленных выше проблем, предлагаются различные способы изготовления медных многоуровневых межсоединений по технологии ДД, например, в которых пустые области между близкорасположенными проводниками неконформным нанесением диэлектрика формируются после создания горизонтальных и вертикальных проводников. В частности, в патенте США [14] после формирования практически стандартным способом горизонтальных и вертикальных проводников методом ДД предлагается стравить диэлектрические слои, внутри которых эти проводники сформированы, и заново создать межпроводниковую изоляцию, начиная с неконформного нанесения диэлектрического слоя (Рис.9). Но в этом патенте не говорится о том, что при неконформном нанесении диэлектрика пустая область своей вершиной может простираться и выше поверхности горизонтальных проводников. Например, на Рис.10 показан профиль пустой области в канавке, вытравленной в кремниевой пластине, полученный нами в одном из технологических режимов нанесения диэлектрического слоя неконформным методом. Видно, что в этом случае после удаления методом ХМП диэлектрика над верхними горизонтальными выступами между канавками откроется щелка в пустую область. Этот способ также не позволяет одновременно решить проблемы повышения качества кристаллической структуры медных проводников и создать пустоты между горизонтальными плотно расположенными проводниками.

В другом патенте [15], чтобы исключить травление изолирующего диэлектрика для формирования вертикального проводника, также предварительно формируют горизонтальный и вертикальный проводники. Для этого на пластину последовательно наносят все проводящие слои, входящие в состав горизонтального и вертикального проводников, и далее последовательно селективным травлением формируют вначале вертикальные и далее горизонтальные проводники. На эту структуру неконформным и далее заполняющим конформным способами наносятся слои диэлектрика, и до поверхности вертикальных проводников межуровневый диэлектрический слой удаляется и планаризуется методом ХМП. Однако этот способ больше подходит к созданию алюминиевой металлизации, но не медной.

Разрабатывается и другой способ изготовления медных проводников с пустотами между ними [16]. Во вспомогательном слое (например, из веществ типа norbornene (NB)-based, tetra-cyclododecene (TD)-based, которые практически полностью разрушаются при термообработке с образованием летучих продуктов) вытравливаются канавки, в которых формируется медный проводник стандартным методом одинарного Дамасцена. Поверхность покрывается жесткой пористой пленкой. В процессе термообработки вспомогательный слой разрушается и образовавшиеся продукты через поры в поверхностном слое диффундируют наружу, оставляя между проводниками пустые области. Этим способом в настоящее время занимаются многие исследователи. Но необходимость использования новых материалов и новых процессов требует проведения длительных испытаний. С другой стороны, встраивание процесса формирования воздушных зазоров в технологический маршрут ДД приводит к существенному увеличению технологических операций. На это с большим трудом идут промышленные предприятия.

Литература

1. Patents: Dual Damascen.htm

United States Patent 5635423. Simplified dual damascene process for multi-level metallization and interconnection structure.

2. United States Patent 5635423, Simplified dual damascene process for multilevel metallization and interconnection structure.

3. Laura Peters, - Semiconductor International, 10/1/2007.

4. Лок Патент США № 7247560 от 24 июля 2007 г.

5. А.С.Валеев, С.Н.Орлов. Способ изготовления самосовмещенной встроенной медной металлизации интегральных схем, Патент Российской Федерации (19) RU (ID 2230391 (i3) C2 (51) 7 H01L 21/283 с приоритетом от 21.03.2002.

6. S.Lagrange^a,*,1, S.H.Brongersma ^a, М.Judelewicz^a, A.Saerens^b, I.Vervoort ^a, E.Richard^a, R.Palmans^a, K.Maex ^a,c, Self-annealing characterization of electroplated copper films.

7. C.-K.Hu', L.Gignac and R.Rosenberg, - Electromigration of Cu/low dielectric constant interconnects, Appl. Phys. Lett., 84, 4986, (2004).

8. Peter Singer, - The Advantages of Capping Copper Wits Cobalt, Semiconductor International, 10/1 2005.

9. Laura Peters, - Exploring Advanced Interconnect Reliability-, Semiconductor International, 7/1/2002.

10. Glenn Aler, 45nm Reliability Issues s, Integration Group Novellus Systems.

11. Roev Shaviv, at all,-Metallization for the 45 nm Node NCAVS Meeting-February 22, 2006, Novellus.

12. Laura Peters,- Are Air Gaps Coming Sooner Than We Think? - Semiconductor International, 7/1/2003.

13. R.Hoofman and others, - Alternatives to low-k nanoporous materials: dielectric air-gap integration, Solid State Technology, august, 2006.

14. United States Patent 006 403 461 B1, - Metod to reduce capacitance between metals lines,-Kim-Hyun Tae, Orlando, FL (US); Chok-Kho Liep; Choi-Byoung II, both,. Jun, 11, 2002.

15. Pat US 6 281, 585 B1 - Air gap dielectric in self-aligned via structures, Subhas Bothra, Fremont, CA (US), August 28, 2001.

16. SEONGHO PARK, and others - Air-Gaps for High-Performance On-Chip Interconnect Part II: odeling, Fabrication, and Characterization. Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol.37, No.10, 2008.

17. Panos C.Andricacos, - Copper On-Chip Interconnections A Breakthrough in Electrodeposition to Make Better Chips-, The Electrochemical Society Interface Spring 1999.

Раскрытие изобретения

Ранее было сказано, что основная причина отличия качества медных проводников от ожидаемого заключается в высокой дефектности кристаллической структуры медных проводников, полученных электрохимическим способом. Нам представляется, что этому способствуют сами условия, в которых протекает электрохимическое осаждение меди. Во-первых, процесс этот низкотемпературный и протекает в водном электролите в присутствии различных добавок, в частности органических. По нашему представлению, есть еще одно обстоятельство, а именно очень стесненные условия и с неоднородным распределением механических напряжений, которые присутствуют при осаждении меди в техпроцессе ДД. Например, при осаждении меди в узкие и глубокие отверстия для вертикальных проводников кристаллическая структура никак не может получиться приемлемого качества, т.к. кристаллиты должны расти от боковых стенок только до центра отверстия, сталкиваясь с соседними кристаллитами. Там просто нет места для роста кристаллитов. В траншеях немного больше места, но и там нормальный рост кристаллитов может быть только в пространстве, равном половине ширины проводника. Поэтому растущая пленка насыщена неравномерно распределенными вакансиями, которые сразу после осаждения слоя начинают блуждать по объему проводников и конденсируются в пустую пору, увеличивая ее объем. Вакансии из вертикального проводника устремляются к границе с горизонтальным проводником, имеющего большую массу, и там создают пору, которая потенциально может стать источником обрыва проводника (Рис.3 и 5). Чем меньше проектная норма, тем более остро встает эта проблема. В настоящее время эту проблему решают введением термообработки после осаждения меди, выбором режимов очистки поверхности пластин, исследуется нанесение дополнительных защитных слоев на поверхность меди (Рис.4), и с определенным профилем наносят зародышевый слой. На Рис.7[6] приведены возможные схемы формирования профилей медных слоев в канавках и отверстиях для проводников и ожидаемые при этом последствия. Режим суперзаполнения может устранить образование пустот за счет неравномерности скорости осаждения меди по высоте зазора, но при этом исключить образование дефектной кристаллической структуры проводников в полной мере не удается. Применяемая в настоящее время термообработка пластины после заполнения медью канавок и вертикальных отверстий в определенной степени улучшает кристаллическую структуру, но при этом за счет миграции уже сформированных дефектов (вакансий) кристаллической структуры в местах с повышенным уровнем механических напряжений, с повышенной плотностью тока и с повышенной температурой начинают образовываться микропоры. Разрастаясь, микропоры приводят к разрыву проводников. Отсюда следует, что основная причина недостаточного качества медных проводников кроется в высокой дефектности кристаллической структуры, формируемой при электрохимическом осаждении. Нам представляется, что значительного улучшения кристаллической структуры слоев меди можно добиться, если отказаться от традиционного техпроцесса Двойного Дамасцен, который и создает стесненные условия роста пленки меди. В данной работе предлагается изменить (Рис.11) способ изготовления медных проводников, который, по мнению авторов, в тех же геометрических размерах позволит создать более благоприятные условия для электрохимического формирования кристаллической структуры медных проводников. В предлагаемом способе электрический потенциал при электрохимическом осаждении слоя меди подводится к затравочному слою, который открыт только у дна канавок и вертикальных отверстий, а в традиционном ДД затравочный слой открыт на всей поверхности пластины. Следовательно, в предлагаемом способе реализуется локальное осаждение меди. Поверх открытой поверхности осажденной меди можно также электрохимическим методом локально осадить защитную пленку. После удаления вспомогательного слоя защитную пленку можно нанести на всю поверхность пластины как электрохимическим, так и вакуумным методами.

Наличие такой защитной пленки позволяет намного снизить опасность «медного отравления» пластины, так как медный проводник оказывается полностью закрытым.

Процесс вытравливания барьерного слоя между проводниками целесообразно совместить со стандартным процессом нанесения барьерного слоя с одновременным его стравливанием, подключая электрическое смещение к подложке. При этом необходимо регулировать соотношение скоростей нанесения и травления таким образом, чтобы в промежутках между проводниками проводящая пленка была стравлена, а на боковых поверхностях медных проводников была сформирована проводящая барьерная пленка минимально необходимой толщины. При соответствующем выборе режимов такой процесс обеспечит удаление проводящего слоя между проводниками и нанесение барьерного слоя на боковые поверхности медных проводников (решается частично Проблема 2). Сформированная при этом барьерная пленка не уменьшает ширину медного проводника. Безусловно, процесс удаления проводящего слоя между проводниками является наиболее сложной операцией предлагаемого способа.

Этот маршрут практически переворачивает процесс ДД. Здесь вначале формируются горизонтальные и вертикальные проводники, а потом пространство между ними заполняется диэлектриком.

В схеме маршрута изготовления одного уровня проводников, включающего как горизонтальные, так и вертикальные проводники, представленного на Рис.11, за исходную принята пластина с планаризованным слоем диэлектрика, в котором на поверхность выступают сформированные вертикальные проводники, контактирующие с нижележащим уровнем вольфрамового или медного проводника. В традиционном процессе ДД первый медный проводник делается методом одинарного Дамасцена. Этим самым происходит некоторая потеря эффективности процесса ДД. В предлагаемом способе все медные уровни проводников делаются одинаковым способом. Обычно диэлектрик, в котором сформированы вертикальные вольфрамовые проводники, на поверхности имеет барьерную диэлектрическую пленку, препятствующую диффузии ионов меди. На эту поверхность последовательно наносится многослойная пленка, состоящая из проводящего адгезионно-барьерного слоя, например TiN, TaN, TaN /Та и других, затравочного слоя, например Cu, Ni, Co, CoWP, и вспомогательного слоя. В процессе нанесения вспомогательного слоя необходимо предусмотреть его отсутствие по краю пластины с целью обеспечения подвода к поверхности затравочного слоя электрического напряжения при электрохимическом нанесении меди. Во вспомогательном слое, толщина которого равна или несколько больше толщины (высоты) изготавливаемого проводника, формируются канавки, соответствующие фигурам горизонтальных проводников текущего уровня металлизации. Тогда осаждение медного слоя будет происходить только под воздействием потенциала, подключенного к проводящей пленке под вспомогательным слоем. Значительные сокращения маршрута изготовления достигаются при использовании фоторезиста в качестве вспомогательного слоя. Рассмотрим общий случай, предполагая, что вспомогательная пленка не является фоторезистом. Во вспомогательном слое вытравливаются канавки до поверхности затравочного слоя, и электрохимическим способом локально канавки заполняются медью, и в завершение поверхность медных проводников электрохимическим же способом может быть покрыта проводящей защитной пленкой, например кобальтом, никелем, сплавами на их основе и др. Далее повторяются операции 4-5 (Рис.11), во второй вспомогательной пленке вытравливаются отверстия, в которые локально электрохимическим способом наносятся медные вертикальные проводники с защитной пленкой. При этом необходимо, чтобы при электрохимическом осаждении верхняя поверхность обоих типов проводников не выступала над поверхностью вспомогательных слоев.

Далее последовательно, используя в качестве маски медные проводники с защитными слоями на поверхности, вытравливаются вспомогательный, затравочный и барьерный слои. Процесс вытравливания барьерного слоя между проводниками целесообразно совместить со стандартным процессом нанесения барьерного слоя с одновременным его стравливанием, подключая электрическое смещение к подложке. Таким образом мы сформировали покрытые защитным (барьерным) слоем медные горизонтальные проводники с выступающими над ними вертикальными медными проводниками. Этот процесс позволил исключить возможность возникновения пустот в медных проводниках (решается Проблема 4), т.к. в этом процессе медь выращивается только в одном направлении, на всю толщину (высоту) проводников, с практически одинаковой скоростью для канавок и отверстий различного размера (решается Проблема 3) до полного их заполнения. В данном маршруте отсутствует операция нанесения барьерного и затравочного слоев в глубокорасположенные под траншеями отверстия для вертикальных проводников (решается Проблема 1). В этом процессе отсутствует химико-механическая полировка меди. Процесс ХМП, в принципе, можно использовать при недопустимом превышении толщины осажденной меди, а также если будет необходимо сгладить микрорельеф поверхности медных проводников. В этом процессе отсутствует необходимость в стопорных диэлектрических слоях с высокими селективностями травления. Предлагаемый способ изготовления медных проводников в определенной степени решает еще одну достаточно важную проблему медного ДД. Она связана с известной закономерностью резкого увеличения объемного сопротивления металлических пленок с уменьшением их толщины в области малых толщин. Эта проблема волнует сейчас очень многих производителей СБИС. Во-первых, из Рис.8 видна значительная разница между средним значением удельного сопротивления медных проводников с барьерными и затравочными слоями с двух сторон и без барьерных слоев. В нашем способе на боковых стенках барьерные слои отсутствуют и медный проводник растет во всю ширину канавки и контактного отверстия на одном затравочном слое снизу вверх. Во-вторых, в традиционном процессе ДД медный проводник складывается из двух независимо выращенных слоев. Удельное сопротивление каждого из этих слоев, и можно предположить сдвоенного слоя, будет одинаковым и соответственно более высоким, чем для проводника той же ширины, но выращенного с одной затравки, как в нашем случае (решается Проблема 5 ). Естественно, в процессе последующих термообработок возможна рекристаллизация и рассматриваемый эффект может снизиться. Но он будет. В предлагаемом способе количество вакансий в кристаллической структуре электрохимически выращиваемой медной пленки будет существенно меньше, поэтому и вероятность образования пустот за счет конденсации вакансий значительно уменьшится. Более того, в предлагаемом варианте возможно образование столбчатой кристаллической структуры медного проводника уже в процессе электрохимического осаждения, так как по направлению роста пленки меди со дна траншеи и контактного окна для роста кристаллитов ограничения в значительной степени меньше, чем в стандартном процессе ДД. В предлагаемом процессе столбчатая структура будет направлена поперек проводника и явится большим препятствием для развития электромиграционного процесса в проводнике. Необходимо также отметить, что в предлагаемом способе осаждения меди условия доставки и отвода продуктов реакции улучшаются по мере заполнения траншей и отверстий во вспомогательном слое, а в традиционном процессе ДД (смотри Рис.7) с ростом толщины пленки на боковых стенках траншей и отверстий эти условия ухудшаются. Это естественно влияет на качество и воспроизводимость кристаллической структуры медного проводника и на его эксплуатационную надежность. Возможно с этим связаны большие разбросы в опубликованных результатах по электромиграционной устойчивости медных проводников. Можно предположить, что в предлагаемом способе эффект от использования защитной пленки из CoWP будет меньше, т.к. медные проводники, формируемые по предлагаемому способу, будут менее склонны к образованию пустот при рекристаллизации и после процессов принудительного отжига, поэтому они будут иметь более высокую устойчивость к электромиграции.

На Рис.7 представлены различные схемы профилей осаждения, которые встречаются при нанесении медного слоя в традиционном процессе ДД и для сравнения в предлагаемом варианте. Чтобы получить приемлемое качество заполнения медью вертикального и горизонтального проводников, необходимо обеспечить вариант суперзаполнения зародышевого слоя. Такой клиновидный профиль зародышевого слоя на дне канавки обеспечивается при нанесении из ионизированного пучка осаждаемого материала с одновременным ионным стравливанием. Обеспечить воспроизводимое нанесение такого слоя на дно и стенки колодца, расположенного под канавкой для производства, непростая задача. Например, на Рис.2 представлен снимок профиля канавки с попыткой сделать такой процесс суперзаполнения при нанесении зародышевого слоя. Нам представляется, что для нанесения электрохимической меди полученный профиль не представляется удовлетворительным, т.к. при этом все равно места для свободного роста медного проводника в полной мере не обеспечивается и в нем будут образовываться пустоты.

Описанные в предыдущем разделе проблемы введения воздушных зазоров в предложенном маршруте решаются следующим образом. Во-первых, в отличие от стандартного ДД в предлагаемом варианте вначале формируются горизонтальный и далее вертикальный проводники. Далее наносится неконформный диэлектрик, толщина которого достаточная, чтобы закрыть пустую область между близкорасположенными проводниками как сверху, так и с торцов проводников. Возникающий при этом сложный рельеф поверхности кристалла устраняется, используя сочетание операций газофазного нанесения диэлектрика в плазме с подачей на подложку высокочастотного потенциала и жидкофазное нанесение диэлектрического слоя (метод ХНР). Последующее удаление многослойного диэлектрика с поверхности пластины до верхних концов вертикальных проводников методом ХМП здесь не приводит к вскрытию пустот между проводниками, т.к. наличие над горизонтальными проводниками вертикальных проводников увеличивает толщину диэлектрического слоя над пустотами, а операция травления диэлектрика для создания вертикальных проводников здесь отсутствует. При некоторых особенностях конструкциях проводников, чтобы гарантированно герметизировать пустую область, необходимо, чтобы основной массив зазоров между проводниками имел одинаковую минимальную ширину, более широкие зазоры должны быть не менее чем в два раза шире минимальной ширины зазора. При необходимости увеличить защиту транзисторной структуры от проникновения ионов меди после заполнения и сглаживания поверхности пластины пленкой ХНР часть диэлектрической пленки необходимо стравить в плазме, не селективной к разным типам межуровневого диэлектрика, до формирования некоторого выступа вертикального проводника (Рис.11-8а) нанести диэлектрический слой из материала, имеющего барьерные свойства по отношению к миграции ионов меди. Далее (Рис.11-9а-10а) методом ХМП до верхней поверхности вертикального проводника диэлектрик удаляется (решается Проблема 2).

Технологические маршруты в рисунках для ДД и предлагаемого представлены на Рис.1 и 11 соответственно. Более подробно технологические маршруты ДД и два варианта предлагаемые в данной работе представлены в таблице.

Удлинение основного варианта маршрута, использующего нефоторезистивный вспомогательный слой, объясняется тем, что для создания частично воздушного зазора между проводниками вначале создаются сами проводники со свободными зазорами. Подобная часть маршрута, но с подачей электропитания для осаждения меди сверху, используется во всех работах по созданию частично воздушной изоляции. Интерес представляет вариант фоторезистивного вспомогательного слоя. В этом случае появляется возможность изготовить медную металлизацию с частично воздушными зазорами между проводниками с К_эфф~2,2-2,5 даже при использовании в качестве межуровневого диэлектрика слоев двуокиси кремния. Вместо двуокиси кремния целесообразно использовать непористый диэлектрик с K~2,8-3,0. Это решит Проблемы 6, 7, выполнив при этом практически одно и то же число технологических операций, как и в традиционном процессе ДД. Кроме того, если в традиционном процессе ДД есть многостадийная операция селективного травления многослойного диэлектрика, то в маршруте с фоторезистивным вспомогательным слоем нет ни одной операции селективного травления с использованием фоторезистивной маски. Это уменьшает номенклатуру оборудования.

В предлагаемом способе увеличение числа технологических операций в варианте, когда в качестве вспомогательного слоя невозможно использовать фоторезист, компенсируется существенным улучшением технических характеристик многоуровневой металлизации.

Технологический маршрут ДД и два варианта, предлагаемые в данной работе.
	Технологический маршрут Cu Двойной Дамасцен	Предлагаемый Cu технологический маршрут (Воздушные зазоры)	Предлагаемый Cu технологический маршрут (Воздушные зазоры), ВС из фоторезиста
	1	2	3
1	Нанесение:	Нанесение: Ta/TaN/Cu	Нанесение: Ta/TaN/Cu
2	Химобработка после нанесения ИД/БСД/ИД/БСД	Химобработка после нанесения Ta/TaN/Cu	Химобработка после нанесения Та/ TaN/Cu
3	Ф/л отверстий для вертикального проводника	Нанесение ВС	Ф/л горизонтальных проводников
4	РИТ БСД/ИД/БСД	Химобработка после нанесения ВС	Электрохимическое осаждение Cu (и защитного слоя)
5	Удаление резиста	Ф/л канавок для горизонтального проводника	Химобработка после осаждения Cu (защитного слоя)
6	Химобработка после РИТ SiCN/	ПХТ вспомогательного	Ф/л вертикальных проводников
	ИД	слоя
7	Нанесение: ИД/БСД	Химобработка после ПХТ вспомогательного слоя	Химобработка после осаждения Cu (защитного слоя)
8	Ф/л канавок для горизонтального проводника	Удаление резиста	Электрохимическое осаждение Cu (и защитного слоя)
9	РИТ БСД/ИД	Химобработка перед осаждением Cu	Химобработка после осаждения Cu (защитного слоя)
10	Химобработка после РИТ БСД/ИД	Формирование горизонтальных проводников электрохимическим осаждением Cu (и защитного слоя)	Удаление фоторезистивных слоев
11	Нанесение Ta/TaN/Cu	Химобработка после осаждения Cu (защитного слоя)	Удаление Ta/TaN/Cu из промежутков между горизонтальными проводниками
12	Химобработка после нанесения Та/ TaN/Cu	Нанесение вспомогательного слоя	Нанесение слоя неконформного диэлектрика
13	Электрохимическое осаждение Cu	Химобработка после нанесения вспомогательного слоя	Химобработка после нанесения слоя неконформного диэлектрика
14	Химобработка после осаждения Cu	Ф/л отверстий для вертикального проводника	Нанесение слоя планаризующего диэлектрика методом ХНР
15	ХМП Сu /TaN/Ta	ПХТ вспомогательного слоя	ПХТ диэлектрика до образования выступа вертикальных проводников
16	Химобработка после ХМП Cu/TaN/Ta	Химобработка после ПХТ вспомогательного слоя	Химобработка после ПХТ диэлектрика
17		Удаление резиста	Нанесение барьерного диэлектрика
18		Формирование вертикальных проводников электрохимическим осаждением Cu	Химобработка после нанесение барьерного диэлектрика
19		Химобработка после осаждения Cu	ХМП барьерного диэлектрика
20		Удаление вспомогательных слоев	Химобработка после ХМП диэлектрических слоев
21		Химобработка после удаления вспомогательных слоев
22		Удаление Та/TaN/Cu из промежутков между проводниками Ме2
23		Химобработка после удаления Та/TaN/Cu
24		Нанесение слоя неконформного диэлектрика
25		Химобработка после нанесения слоя неконформного диэлектрика
26		Нанесение слоя планаризующего диэлектрика методом ХНР
27		ХМП диэлектрика до вскрытия вертикальных проводников
28		Химобработка после ХМП

Заключение

В предлагаемом способе одновременно решаются обе задачи: улучшение кристаллической структуры медных проводников и снижение электрической емкости в системе межсоединений, что невозможно сделать, используя стандартные [2] и модернизированные [14] процессы ДД.

H01L 21/283

Описание

Способ изготовления медной многоуровневой металлизации СБИС

Использованные сокращения:

БИС - сверхбольшая интегральная схема;

tэм - время наработки на отказ из-за электромиграции;

С - электрическая емкость в системе межсоединений;

R - электрическое сопротивление проводников;

ДД и Д - двойной и соответственно одинарный процессы Дамасцен;

ИД - изолирующий диэлектрик;

ХМП - химико-механическая полировка;

K - диэлектрическая постоянная;

ХНР - химическое нанесение из растворов на центрифуге;

ОГФ - осаждение из газовой фазы;

ОГФ НК - осаждение из плазмоактивированной газовой фазы неконформным методом;

ОГФ ОГФ ПА - осаждение из газовой фазы плазмоактивированное;

ОГФ ВПП - осаждение из газовой фазы в высокоплотной плазме;

ВПП ЭС - осаждение из газовой фазы в высокоплотной плазме с электрическим смещением на подложку;

ВПП - осаждение из газовой фазы в высокоплотной плазме.

БСД - барьерный стопорный диэлектрик.

ВС - вспомогательный слой.