Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Роль послойного препарирования кристаллов в технологии анализа отказов современных ис. методы послойного препарирования кристаллов ис. особенности системы межсоединений на основе меди (обзор литературы) 6
1.1. Роль послойного препарирования кристаллов в технологии анализа отказов современных ИС 6
1.2. Методы послойного препарирования кристаллов ИС
1.2.1. Требования к методам послойного препарирования 9
1.2.2. Влияние характеристик топологических слоев кристалла на определение метода его препарирования
1.3. Особенности системы межсоединений на основе меди 16
1.4. Методы селективного травления меди
1.4.1. Методы жидкостного травления 22
1.4.2. Методы сухого травления 27
1.5. Выводы к главе 1 60
Глава 2. Экспериментальные исследования по селективному удалению медных проводников системы межсоединений ис методом жидкостного травления 64
2.1. Оборудование 64
2.2. Образец 2.2.1. ПЛИС ф. XILINX Virtex-4 73
2.2.2. ПЛИС ф. XILINX Virtex-6
2.3. Методы на основе использования геля-носителя 86
2.4. Традиционные методы жидкостного травления 106
2.5 Выводы к главе 2 110
Глава 3. Экспериментальные исследования по селективному удалению медных проводников системы межсоединений ис методом сухого травления 112
3.1. Высокотемпературные методы 112
3.2. Низкотемпературные методы
3.2.1. Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования многокомпонентных газовых смесей 124
3.2.2. Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования циклических процессов 134
3.2.3. Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования внешнего УФ излучения 142
3.3. Выводы к главе 3 155
Глава 4. Синтез метода послойного препарирования кристаллов в технологии анализа отказов современных ис с системой межсоединений на основе меди 158
4.1. Синтез метода послойного препарирования кристалла ИС с системой межсоединений на основе меди 158
4.2. Экспериментальная проверка метода на примере кристалла ПЛИС Virtex-4 ф. Xilinx 163
4.3. Выводы к главе 4 180
Основные результаты и выводы работы 182
Список литературы
- Требования к методам послойного препарирования
- Методы на основе использования геля-носителя
- Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования циклических процессов
- Экспериментальная проверка метода на примере кристалла ПЛИС Virtex-4 ф. Xilinx
Требования к методам послойного препарирования
Под системой межсоединений ИС понимается совокупность технологических слоев проводящих электрический ток между элементами схемы (МОП транзисторами и др.). Можно выделить четыре основных элемента системы межсоединений [12]: - контактная система металлизации; - проводниковые межсоединения; - слои межуровневого диэлектрика; - межслойные контакты; - слой пассивации; - контактные площадки. Контактная система металлизации - это выпрямляющие и омические контакты к кремнию. Проводниковые межсоединения представляют собой проводники многослойной системы металлизации. Межуровневый диэлектрик - материал, электрически разделяющий проводниковые соединения различных уровней. Межслойные контакты -это локальные контакты между проводниками соседних слоев, выполненные в слоях межслойного диэлектрика. Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий проводники верхнего уровня межсоединений. Контактные площадки представляют собой расположенные на кристалле ИС участки верхнего слоя проводниковых межсоединений, обеспечивающие электрическую связь проводников кристалла с внешними выводами ИС [12].
В истории развития систем межсоединений кремниевых ИС можно выделить три основных этапа. На первом этапе металлизация ИС была однослойной, и ее основу составлял алюминий. На следующем этапе металлизация состояла из нескольких подслоев и стала многослойной. Появилось деление ее слоев по функциональному назначению. Алюминий по-прежнему оставался основой коммутирующей разводки. На третьем этапе произошла замена основного материала межсоединений, алюминия, на медь, что повлекло за собой усложнение структуры металлизации и существенные изменения в технологическом процессе формирования.
Многослойная система металлизации с межсоединениями на основе алюминия применялась основными производителями кремниевых ИС до 0,13 мкм технологии (ф. Intel), начиная с которой в качестве межсоединений стала использоваться медь. Главные преимущества меди как материала межсоединений перед алюминием - более низкое удельное сопротивление (1,68 мкОмсм), что по оценкам дает 40% выигрыш в величине RC-задержки [13], более высокая термическая стабильность и существенно меньшая склонность к электромиграции.
Вместе с тем, не смотря на указанные преимущества, медь имеет и нежелательные свойства. Медь является опасной примесью для кремниевой технологии, т. к. является в кремнии быстро диффундирующей примесью и образует глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне кремния [14]. Эти уровни являются ловушками захвата, которые отрицательно влияют на быстродействие ИС. Также, медь диффундирует и в других материалах, напрмер SiО2. Таким образом, при использовании меди принимаются серьезные меры предосторожности к попаданию этой примеси в полупроводник.
Первый слой многослойной системы межсоединений с медными проводниками полностью соответствует первому уровню многослойной алюминиевой металлизации. Несмотря на то, что в отличие от алюминия для меди существуют различные методы заполнения полостей с высоким аспектным соотношением (для формирования межслойных контактов и контактов к кремнию), на первом, прилежащем к кремнию, уровне разводки контактные колодцы заполняются вольфрамом. Это усложнение технологии является одной из мер по препятствию попадания меди в кремний.
Основное отличие медной металлизации от алюминиевой состоит в способе формирования самих проводников. Если в алюминиевой металлизации проводники формируются путем прямой фотолитографии, то в медной металлизации вначале осаждается слой внутриуровневого диэлектрика. В этом слое с помощью фотолитографии и процесса сухого травления создаются углубления, рисунок которых соответствует будущим медным проводникам. Далее последовательно наносятся тонкий диффузионно-барьерный слой (ДБС) и слой меди одним из методов, позволяющих заполнить углубления в диэлектрике без образования пустот (рис. 1.3.1б). После этого проводится операция планаризации, в процессе которой медь и ДБС удаляют с поверхности диэлектрика и остаются только внутри углублений (рис. 1.3.1в), в результате чего возникают медные проводники, со всех сторон кроме верха окруженные изолирующим диэлектриком. Данный метод формирования медных проводников называют "дамасская технология" (англ. "damascene") по аналогии с узорами, создаваемыми насечкой золотом на изделиях из дамасской стали.
Важно отметить, что в отличие от алюминиевого, медный проводник со всех сторон должен быть окружен ДБС. Это требуется для предотвращения диффузии меди в диэлектрик и далее в кремний, т.к. при наличии вышележащих слоев, диффузия меди становится аномальной [12].
Как показано на рис. 1.3.1б, технологически легко окружить медный проводник путем конформного осаждения проводящего ДБС на дно и боковые стенки углублений и контактных колодцев. Однако и верх медных межсоединений также должен быть защищен ДБС, но это затруднительно сделать традиционными проводящими ДБС, не закоротив межсоединения между собой. Наиболее простым решением данной проблемы проблемы является нанесение тонкого диэлектрического ДБС по всей поверхности. Главным для такого слоя являются его диффузионно-барьерные свойства по отношению к меди. Диэлектрическая проницаемость этого материала может быть достаточно высокой, по сравнению с межслойным или внутрислойным диэлектриком, т.к. толщина данного слоя мала и не вносит заметного вклада в паразитную емкость и, как следствие, в RC-задержку сигнала.
Методы на основе использования геля-носителя
В настоящей работе система ЖТ Omnietch2 [71] ф. Nissene (рис. 1.4.1) использовалась для исследования методов жидкостного травления на основе использования геля - носителя.
Принцип работы данной системы заключается в равномерной циркуляции травящей смеси через образец, при непрерывном перемешивании этой смеси, т.е. по сути частично реализуется процесс химической полировки поверхности. За счет постоянной циркуляции травителя ускоряется удаление продуктов реакции с поверхности образца и снижается градиент концентрации травителя по поверхности кристалла и в геле - носителе, что делает процесс более контролируемым по скорости и равномерным по площади воздействия.
Растровый электронный микроскоп NovaNanoSem230.
В настоящей работе растровый электронный микроскоп (РЭМ) NovaNanoSem230 [70] ф. FEI (рис. 2.1.5, табл. 2.1.2) использовался для оценки результатов экспериментальных исследований (получение РЭМ изображений поверхности и вертикальных сечений образцов после выполнения травления, а также, в комбинации с системой локального рентгено-спектрального анализа QUANTAX (рис. 2.1.6), для вещественного анализа полученных сечений).
РЭМ NovaNanoSem230 позволяет получать изображения исследуемых объектов в цифровом формате с ультра высоким разрешением при увеличении до 500000x. Комплектация РЭМ позволяет исследовать образцы в двух основных режимах: - режим высокого вакуума High Vacuum (HiVac) - обычный рабочий режим большинства современных РЭМ; Рис. 2.1.5. Внешний вид растрового электронного микроскопа ф. FEI NovaNanoSem230.
Диапазон перемещения образцапо оси X: по оси Y: по оси Z: наклон: вращение: 50 мм50 мм25 мм-15 - + 75 град (ручное).360 град. - режим низкого вакуума Low Vacuum (LoVac) - позволяет проводить исследование газящих или заряжающихся образцов без предварительной пробоподготовки (например: напыление тонкого проводящего слоя для нейтрализации зарядки образца). В этом режиме в электронной колонне сохраняется высокий вакуум, а в рабочей камере выдерживается давление в диапазоне 0.075 - 1,5 Торр (10 - 200 Па). Для создания избыточного давления используется водяной пар или вспомогательный газ.
Совместное использование РЭМ Nova NanoSEM 230 и системы локального рентгено-спектрального анализа QUANTAX (рис. 2.1.6) позволяет осуществлять элементный анализ исследуемых образцов.
В описываемых исследованиях система QUANTAX была использована для элементного анализа сечений образцов после выполнения процессов травления с целью выявления состава продуктов реакции и определения толщины удаленного медного слоя. 2.2. Образец
Экспериментальные исследования в области травления медных проводников системы межсоединений ИС проводились на реальных образцах современных изделий микроэлектроники - кристаллах ПЛИС ф. XILINX Virtex-4 и Virtex-6.
Для обеспечения доступа к кристаллу, после удаления металлической крышки корпуса при помощи скальпеля (рис. 2.2.1а, б), многослойная печатная плата (МПП) с кристаллом помещалась в кислотный декапсулятор, где растворялся клей между печатной платой и кристаллом (рис. 2.2.1в). Далее образец нагревался на плитке до температуры плавления припоя (BGA-соединения кристалла с МПП), после чего кристалл был отделен от платы (рис. 2.2.1г). Остатки припоя с нагретого образца были убраны ватным тампоном (рис. 2.2.2).
Для исследования конструктивных особенностей топологии кристалла ПЛИС ф. Xilinx Virtex-4, при помощи РЭИМ Quanta 200 3d было получено вертикальное сечение топологии кристалла в области контакта к переходной МПП (рис. 2.2.3а). Предварительный анализ изображений полученного сечения (рис металлических проводников. Причем верхний слой проводников выполнен из материала отличающегося от материала а) б) проводников нижних 10-ти слоев (заметно по контрасту каналирования). Переходные (межслойные) контакты. 2.2.3б) показал, что топология кристалла содержит 11 слоев выполнены на одном технологическом этапе с вышележащими проводниками, за исключением нижнего слоя переходных контактов.
Для исследования контакта между верхним слоем проводников (М11) и нижележащим слоем проводников (М10) было выполнено дополнительное вертикальное сечение (рис. 2.2.4а). Исследование данного сечения методом рентгеноспектрального анализа (рис. 2.2.4б, в, г, д) показало, что верхний слой проводников выполнен из алюминия (рис. 2.2.4б) с подслоем нитрида титана (рис. 2.2.4в), а нижележащие проводники выполнены из меди (рис. 2.2.4г).
Для детального исследования конструктивно-технологических особенностей кристалла и улучшения разрешения изображений распределения элементного состава, было выполнено вертикальное сечение по схеме приведенной на рисунке 2.2.5. На рисунках 2.2.6 - 2.2.8 приведены изображения топологии кристалла ПЛИС ф. Xilinx Virtex-4 в процессе реализации сечения, схема которого приведена на рисунке 2.2.5.
Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования циклических процессов
Анализ данных изображений показывает, что проводники М10 удалены полностью. В областях расположения межслойных проводников М10vМ9 поверхность покрыта слоем хлорида меди (при этом сами межслойные проводники М10vМ9, также полностью удалены). Таким образом, уровень летучести продуктов реакции рабочего газа с проводниками М10 позволил им беспрепятственно удаляться вакуумной системой. В тоже время при травлении межслойных проводников, находящихся в углублениях (1,5 мкм), продукты реакции удалены не были. Таким образом параметры проведенного процесса не позволили поднять летучесть продуктов реакции до уровня, позволяющего им полностью удаляться вакуумной системой PlasmaLab100. В следующем эксперименте было решено повысить летучесть продуктов реакции за счет понижения давления, мощности ВЧ-генератора, температуры образца и уменьшения расхода рабочего газа. 5 мин На рисунке 3.1.8 приведены изображения поверхности и сечения образца №4 после проведенного процесса (процесс №4 ВПТ медных проводников ИС). На рисунке 3.1.9 приведены изображения сечения образца №4, полученные методом ЛРСА.
Анализ данных изображений показывает, что проводники М10 удалены полностью. Межслойные проводники М10vМ9 удалены примерно на половину толщины. Таким образом, уровень летучести продуктов реакции рабочего газа с проводниками М10 и М10vМ9 позволил им беспрепятственно удаляться вакуумной системой PlasmaLab100. В следующем эксперименте было решено повторить процесс №4 за исключением рабочего газа, в качестве которого взяли HBr. Выбор газа обусловлен схожими механизмами взаимодействия радикалов хлора и брома с медью.
На рисунке 3.1.10 приведены изображения поверхности и сечения образца №5 после проведенного процесса ВПТ. На рисунке 3.1.11 приведены изображения сечения образца №5, полученные методом ЛРСА. Анализ данных изображений показывает, что проводники М10, и межслойные проводники М10vМ9 удалены полностью. Вместе с тем, на изображении сечения (рис. 3.1.10б) видно, что в областях межслойных проводников М10vМ9 произошло частичное удаление проводников М9. Также в указанных областях присутствую бромиды меди, уровень летучести которых не позволил им удалиться из щелей под межслойным диэлектриком М10vМ9. Таким образом, уровень летучести продуктов реакции рабочего газа с проводниками М10 и М10vМ9 позволил им беспрепятственно удаляться вакуумной системой PlasmaLab100. Также необходимо отметить, что в отличии от методов жидкостного травления меди, ДБС, в данном случае, не может выступать в качестве стоп-слоя при удалении медных проводников.
Учитывая, что не все современные системы ВПТ обеспечивают возможность реализации высокотемпературных процессов травления, в данной части диссертации приведены результаты экспериментальных исследований в области понижения температуры сухого травления медных проводников системы межсоединений ИС, выполненные по трем основным направлениям: - за счет использования многокомпонентных газовых смесей; - за счет использования внешнего УФ излучения; - за счет использования циклических процессов.
Исследование возможности понижения температуры сухого травления медных проводников ИС за счет использования многокомпонентных газовых смесей
Учитывая данные, приведенные в работе [45], а также технические характеристики системы ВПТ PlasmaLab 100, для отработки технологии низкотемпературного сухого травления меди при использовании многокомпонентных газовых смесей были реализованы процессы ВПТ с параметрами приведенными в таблице 3.2.1.
Учитывая данные, приведенные в работах [62, 63], а также технические характеристики системы ВПТ PlasmaLab 100, для исследования возможности понижения температуры сухого травления меди при использовании циклических процессов были реализованы процессы ВПТ с параметрами приведенными в таблице 3.2.2. Аналогично, исследованиям описанным в п. 3.2.1, перед началом процесса травления, для всех образцов осуществлялась процедура прогрева.
Изображения поверхности (а) и сечения поверхности (б) образца №1 после ВПТ медных проводников циклическим процессом №1 -8 циклов (а - РЭМ-изображение, увеличение х20000, наклон образца 52; б - РИМ-изображение сечения, увеличение х40000, наклон образца 52).
Изображение сечения образца №1 после ВПТ медных проводников циклическим процессом №1 (а) и распределение по сечению состава материалов (б - комбинационное изображение; в - распределение меди; г - распределение хлора; д - распределение платины; е - распределение кремния). Изображения поверхности (а) и сечения поверхности (б) образца №2 после ВПТ медных проводников циклическим процессом №2 -20 циклов (а - РИМ-изображение, увеличение х12500, наклон образца 52; б - РИМ-изображение сечения, увеличение х100000, наклон образца 52).
Изображение сечения образца №2 после ВПТ медных проводников циклическим процессом №2 (а) и распределение по сечению состава материалов (б - комбинационное изображение; в - распределение меди; г - распределение хлора; д - распределение платины; е - распределение кремния). Анализ изображений образцов кристаллов ПЛИС ф. XILINX Virtex-4 (рис. 3.2.15 - 3.2.18) после выполненных процессов ВПТ (табл. 3.2.2) показал, что понизить температуру сухого травления меди до 100С за счет использования сухих циклических процессов не удалось. Возможно это связано с малой производительностью системы откачки (520 л/с).
Дальнейшие исследования по отработке технологии низкотемпературного сухого травления меди при использовании циклических процессов проводились с использованием методов ЖТ. На первом этапе медь преобразовывалась в хлориды меди, а на втором этапе, CuXClY удалялся при помощи 6% соляной кислоты. Параметры проведенных процессов приведены в таблице 3.2.3.
Экспериментальная проверка метода на примере кристалла ПЛИС Virtex-4 ф. Xilinx
Конкретная реализация метода послойного препарирования кристалла ИС с системой межсоединений на основе меди зависит от конструктивных особенностей образца (например, наличие дополнительного верхнего слоя проводников на основе алюминия и др.) и доступного оборудования.
В обобщенном виде схема послойного препарирования кристалла (количество проводящих слоев - Х) приведена на рисунке 4.1.1. На этапе подготовки кристалла к препарированию осуществляется доступ к кристаллу (в случае необходимости) и его отмывка от различных загрязнений (остатков корпуса, припоя и т.д).
Удаление пассивации осуществляется известными методами ВПТ оксида кремния (например, приведенными в [6, 9]). Главным условием при этом является низкая селективность (или ее отсутствие) к нитриду кремния. Удаление внутрислойного диэлектрика, несмотря на то, что он может быть выполнен из Low-k диэлектрика (обычно типа SiOCH), осуществляется известными методами ВПТ оксида кремния (например, приведенными в [6, 9]). Удаление (верхнего) слоя проводников (медных) может быть выполнено как методами жидкостного травления, так и ВПТ.
На основании приведенных в главе 2 диссертации исследований, жидкостное травление медных проводников предпочтительно осуществлять в смеси соляной кислоты и перекиси водорода: - HCl(к) -100 ч; - медицинская перекись водорода (37%) -1 ч; Сухое травление проводников, в зависимости от конфигурации системы ВПТ, и в соответствии с исследованиями приведенными в главе 2 диссертации, может быть осуществлено при использовании следующих рецептов: расход BCl3 расход N2 расход Ar мощность RF мощность ICP давление в камере высота стола температура давление He УФ источник время процесса этап 2 - жидкостное травление в 6% растворе HCl (10 мин); - отмывка в УЗ ванне (5 мин). Планаризация поверхности кристалла требуется после удаления проводников, для исключения влияния остаточного рельефа поверхности 162 на последующие этапы препарирования. В зависимости от глубины рельефа могут быть использованы два основных подхода: - механическое шлифование [68]; - ионно-лучевое травление (под малыми углами к поверхности) [75]. Механическое шлифование может быть осуществлено при помощи системы химико-механической полировки MultiPrep (п. 2.1) с следующими параметрами: - тип полирующего диска: мягкий ворсовый, RED FINAL C с 3мкм алмазной абразивной пастой; - скорость полирующего диска: 150 об\мин; - усилие прижима образца к диску: 50 г; - подача воды на диск: отсутствует, диск заранее смачивают водой из распылителя; - направление вращения полирующего диска: изменяется в процессе шлифовки каждые 2 минуты;
Удаление межслойного и внутрислойного диэлектриков обычно осуществляется в одном процессе методом ВПТ оксида кремния. В связи с тем, что структура данных диэлектриков обычно многослойна и содержит Low-k диэлектрик, ДБС (обычно нитрид кремния) и др, желательно применять рецепты с низкой селективностью (или ее отсутствием) к нитриду кремния (например, приведенными в [6, 9]).
Удаление межслойного (M1vPoly) и внутрислойного (dPoly) диэлектриков осуществляется в одном процессе методом ВПТ оксида кремния. При этом, особенностью применяемых рецептов является требование по селективности к кремнию (например, приведенным в [6]).
Удаление слоя проводников Poly может быть осуществлено выдерживанием кристалла в 20% растворе плавиковой кислоты (5 минут) с последующей отмывкой ацетоном в УЗ ванне.
Экспериментальная проверка метода послойного препарирования кристаллов с системой межсоединений на основе меди выполнялась на примере кристалла ПЛИС Virtex-4 ф. Xilinx.
Исследование данных о конструктивных особенностях образца (п. 2.2.1) позволяют утверждать, что кристалл ПЛИС Virtex-4 XC4VLX25 ф. XILINX выполнен по планарной технологии, за исключением (верхнего) слоя проводников М12, и содержит двенадцать слоев проводников. Проводники верхнего слоя (M12) выполнены из алюминия с подслоями нитрида титана снизу проводника. Проводники М11...М3 и межслойные соединения слоев М11 - М10...М3 - М2 выполнены из меди по "двойной дамасской" технологии. Слой проводников М2 выполнен из меди по "дамасской" технологии. Межслойные соединения М2-М1, М2-кремний выполнены вольфрамовыми столбиками. Нижний слой проводников из поликремния. Пассивация двуслойная: нитрид кремния - оксид кремния. В таблице 4.2.1 приведены основные параметры и характеристики топологических слоев кристалла ПЛИС Virtex-4 XC4VLX25 ф. XILINX, которые необходимо знать для его послойного препарирования. Учитывая данные о структуре и характеристиках топологических слоев кристалла (табл. 4.2.1), был сформулирован алгоритм его послойного препарирования (рис. 4.2.1).