Введение к работе
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.
Г »*ОС.НліиЦЦ.Ч.ЧЬКАС}
З **Міі0П*А і
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 ДумеФСРФ, 20.05.04. .
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
-
Предложены принципы построения стабильной многоуровневой СМ, в основе которых лежат критерии выбора материала для ДБС, совместимого по основным признакам с остальными слоями металлизации.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Разработан новый универсальный стабильный ДБС состоящий из Ta-W-N, и показана возможность его использования в технологии изготовления СБИС.
-
Разработан новый стабильный ДБС Ta-W-N/TiN для СМ с медными межсоединениями и показана возможность его изготовления с использованием процесса самоформирования КС CoSi2.
-
Разработан новый способ формирования медных межсоединений СБИС субмикронного уровня, использующий эффект низкотемпературного плавления тонких плёнок.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Критерии выбора диффузионно-барьерного материала.
-
Выбор состава и условий формирования сплава Ta-W-N для ДБС алюминиевой и медной СМ с использованием предложенных критериев.
-
Механизм процесса плавления тонкой плёнки меди на поверхности сплава Ta-W-N сопровождающийся её диспергированием на капли.
-
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:
-
Восьмая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001" (Зеленоград, 18-19 апреля, 2001 г.).
-
Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и нано- электроника - 2001" с участием зарубежных учёных (г. Звенигород, пансионат "Липки", 1-5 октября, 2001 г.).
-
Первая всероссийская конференция молодых учёных по физическому материаловедению (г. Калуга, 4-7 октября, 2001г.).
-
Девятая всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2002" (г. Зеленоград, 18-19 апреля, 2002 г.).
-
IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика-2002" (г.Зеленоград, 19-21 ноября, 2002г.).
-
Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2003» (г. Москва, 18-19 апреля, 2003 г.) (два доклада).
-
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 рассьшки автореферата получено положительное решение.
Публикации
По теме работы опубликовано 15 печатных работ и подано 2 заявки на патент, на одну из них к моменту рассьшки 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.
