eng
Выпуск #2/2020
М.Г.Мустафаев, Д.Г.Мустафаева, Г.А.Мустафаев
Формирование контактно-металлизационных систем с улучшенными технологическими параметрами
Формирование контактно-металлизационных систем с улучшенными технологическими параметрами
Просмотры: 2800
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.122.125
Показаны технологические подходы, улучшающие адгезию металлизации, уменьшающие структурные напряжения в пленке при осаждении и электромиграцию при формировании контактно-металлизационных систем элементов ИЭ.
Показаны технологические подходы, улучшающие адгезию металлизации, уменьшающие структурные напряжения в пленке при осаждении и электромиграцию при формировании контактно-металлизационных систем элементов ИЭ.
Теги: correlation integration interconnects modeling parameter structure technology интеграция корреляция межсоединения моделирование параметр структура технология
ФОРМИРОВАНИЕ КОНТАКТНО-МЕТАЛЛИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
FORMATION OF THE CONTACT-METALLIZATION SYSTEMS WITH IMPROVED TECHNOLOGICAL PARAMETERS
М.Г.Мустафаев*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-4250-7972), Д.Г.Мустафаева*, к.т.н., доцент,
(ORCID: 0000-0002- 1694-1230), Г.А.Мустафаев*, д.т.н., проф., (ORCID:0000-0002-3407-3596) / dzhamilya79@yandex.ru
M.G.Mustafaev*, Cand. of Sc. (Technical), (ORCID: 0000-0002-4250-7972), D.G.Mustafaeva*, Cand. of Sc. (Technical),
Docent, (ORCID: 0000-0002-1694-1230), G.A.Mustafaev*, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID:0000-0002-3407-3596)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.122.125
Получено: 15.11.2019 г.
Рассмотрены технологические подходы, обеспечивающие улучшение адгезии металлизации, уменьшение структурных напряжений в пленке в процессе осаждения и снижения электромиграции при формировании контактно-металлизационных систем при создании элементов интегральной электроники.
Considered are the technological approaches that provide improved metallization adhesion, reduced structural stresses in the film during deposition and reduced electrical migration at the formation of contact-metallization systems when producing integrated electronics elements.
Формирование контактно-металлизационных систем при создании элементов интегральной электроники является сложной технологической задачей, обусловленной тем, что рельеф поверхности образуется ступенями на границах контактных окон, а также значительным возрастанием сложности профиля в многоуровневых межсоединениях из-за увеличения числа контактных окон.
Формирование контактно-металлизационных систем
При формировании многоуровневых межсоединений имеются ступени на пересечениях дорожек металлизации различных уровней [1]. Профиль ступени, образованной нижним уровнем межсоединений, определяется профилем травления нижнего слоя металлизации и степенью воспроизведения его межслойным диэлектриком. В области верхней пленки металлизации толщина межслойного диэлектрика минимальна, а внутренние напряжения максимальны, из-за чего происходит растрескивание диэлектрика, которое может вызвать закороток уровней металлизации или обрывов металлизации верхнего уровня. Причиной разрывов может быть эффект "самозатенения" при формировании пленки, возникающий из-за различия скорости ее роста на гладких и шероховатых поверхностях [2]. Равномерности по толщине межслойного диэлектрика и отсутствие закороток и обрывов на ступенях можно добиться сглаживанием ступенчатого рельефа поверхности подложки.
Обрывы металлизации на ступенях и эффект "самозатенения" устраняют, используя различные технологические приемы, при нанесении металлизации:
Межповерхностные связи в области контакта "пленка – подложка" имеют существенное значение, так как шероховатость поверхности подложки создает сильную межповерхностную макроскопическую связь даже при слабой межатомной связи. Так при напылении в вакууме шероховатость поверхности подложки может привести к появлению различных структурных дефектов типа пустот и вакансий, которые и являются причиной ухудшения адгезии [3].
Низкая адгезия металлизации может быть обусловлена несогласованностью свойств контактирующих материалов, неправильным выбором методов или технологических режимов получения пленок, некачественным проведением процесса металлизации или подготовки поверхности подложки, что приводит к образованию барьерных слоев на границе раздела и ограниченному взаимодействию контактирующих материалов, которые можно устранить при межоперационном контроле.
Ухудшение адгезии металлизации при термообработках может быть обусловлено действием высоких внутренних напряжений в металлических пленках, так как при этом в пленках возникают напряжения сжатия, вызванные увеличением размера их зерна. Таким образом, в зависимости от знака собственных внутренних напряжений в пленке происходит увеличение или уменьшение суммарных механических напряжений. При превышении критической величины, определяемой свойствами границы раздела контактирующих фаз, наблюдается отслаивание пленки от подложки.
Высокие внутренние напряжения приводят к отслаиванию металлизации или разрывам ее в областях с максимальными значениями внутренних напряжений. Тяжесть этого вида отказов заключается в том, что процесс разрушения сильно растянут во времени и вызван возрастанием статической усталости материалов. Используемые в качестве подложек полупроводниковые материалы хрупкие, для них характерно разрушение отрывом без предварительной деформации.
Механические напряжения, возникающие вследствие различия свойств материалов пленки, границы раздела "пленка – подложка" и самой подложки могут быть значительно уменьшены при определенной толщине пленки. При этом на границе раздела должны отсутствовать микропоры и другие дефекты, которые могут стать концентраторами внутренних напряжений. Величина внутренних напряжений в тонких металлических пленках зависит от технологических параметров процесса их осаждения и последующих обработок.
Структурные напряжения в пленке диэлектрика возникают в процессе осаждения пленки и определяются условиями его проведения (температура подложки, скорость осаждения и т.д.). Для уменьшения структурных напряжений проводят термообработку, что обеспечивает снижение плотности точечных дефектов и увеличение плотности пленок.
Действие этого эффекта усиливается по мере увеличения температуры обработки до определенного предела в зависимости от природы материала диэлектрической пленки.
Механизм возникновения структурных напряжений в диэлектрических пленках определяется действием факторов:
Для качества формирования контактно-металлизационных систем немаловажно явление электромиграции. Явление электромиграции, связанное с переносом массы материала межсоединений под действием внешнего электрического поля и вызванного этим полем тока, играет существенную роль в многоуровневых системах межсоединений [4].
Для повышения сопротивления электромиграции используют метод легирования металлов различными примесями (бериллий, медь, магний), являющимися эффективными барьерами массопереноса материала. Эти примеси имеют относительно высокую энергию связи вакансий.
Другим методом снижения явления электромиграции является использование защитных диэлектрических покрытий, играющих роль механического барьера. При этом рост толщины диэлектрического покрытия увеличивает вероятность образования мелких холмиков на всей поверхности металлизации, а не отдельных высоких пиков. Использование пленки оксида алюминия Al2О5, полученной анодированием поверхности алюминиевого проводника, обеспечивает надежную защиту от электромиграции и улучшает однородность слоя диэлектрика.
Для снижения электромиграции используют тугоплавкие металлы: молибден, вольфрам, хром, титан и др., которые, помимо высокой температуры плавления в перекристаллизации по сравнению с алюминием и другими более легкоплавкими системами, имеют меньшее значение коэффициента диффузии и более высокое значение энергии активации самодиффузии, что свидетельствует об отсутствии подверженности электромиграции.
ВЫВОДЫ
Действие высоких внутренних напряжений в металлических пленках зависит от технологических параметров процесса их осаждения и последующих обработок и обуславливает ухудшение адгезии при термообработке, что приводит к отслаиванию металлизации или ее разрывам. Для улучшения адгезии металлизации обеспечивают согласованность свойств контактирующих материалов, правильно выбирают технологический режим получения пленок и подготовки поверхности подложки.
Уменьшение структурных напряжений в пленке диэлектрика в процессе осаждения достигается термообработкой, что обеспечивает снижение точечных дефектов и увеличение плотности пленки. Для снижения электромиграции используют тугоплавкие металлы.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Мустафаева Д.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев М.Г. Формирование многоуровневой системы межсоединений и повышение воспроизводимости процесса при создании элементов интегральной электроники // Наноиндустрия. 2019. № 6.
Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. – М.: Советское радио, 1977. 663 с.
Мустафаева Д.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев М.Г. Воспроизводимость и стабильность технологии и параметров структур микроэлектронных приборов // Наноиндустрия. 2019. № 5. С. 56–59.
Лихтман Е.Н., Донишев Б.Г. Многослойные
контактные системы на основе молибдена и алюминия // Электронная техника. Сер. 2. 1971. Вып. 4. С. 46–51.
FORMATION OF THE CONTACT-METALLIZATION SYSTEMS WITH IMPROVED TECHNOLOGICAL PARAMETERS
М.Г.Мустафаев*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-4250-7972), Д.Г.Мустафаева*, к.т.н., доцент,
(ORCID: 0000-0002- 1694-1230), Г.А.Мустафаев*, д.т.н., проф., (ORCID:0000-0002-3407-3596) / dzhamilya79@yandex.ru
M.G.Mustafaev*, Cand. of Sc. (Technical), (ORCID: 0000-0002-4250-7972), D.G.Mustafaeva*, Cand. of Sc. (Technical),
Docent, (ORCID: 0000-0002-1694-1230), G.A.Mustafaev*, Doctor of Sc. (Technical), Prof., (ORCID:0000-0002-3407-3596)
DOI: 10.22184/1993-8578.2020.13.2.122.125
Получено: 15.11.2019 г.
Рассмотрены технологические подходы, обеспечивающие улучшение адгезии металлизации, уменьшение структурных напряжений в пленке в процессе осаждения и снижения электромиграции при формировании контактно-металлизационных систем при создании элементов интегральной электроники.
Considered are the technological approaches that provide improved metallization adhesion, reduced structural stresses in the film during deposition and reduced electrical migration at the formation of contact-metallization systems when producing integrated electronics elements.
Формирование контактно-металлизационных систем при создании элементов интегральной электроники является сложной технологической задачей, обусловленной тем, что рельеф поверхности образуется ступенями на границах контактных окон, а также значительным возрастанием сложности профиля в многоуровневых межсоединениях из-за увеличения числа контактных окон.
Формирование контактно-металлизационных систем
При формировании многоуровневых межсоединений имеются ступени на пересечениях дорожек металлизации различных уровней [1]. Профиль ступени, образованной нижним уровнем межсоединений, определяется профилем травления нижнего слоя металлизации и степенью воспроизведения его межслойным диэлектриком. В области верхней пленки металлизации толщина межслойного диэлектрика минимальна, а внутренние напряжения максимальны, из-за чего происходит растрескивание диэлектрика, которое может вызвать закороток уровней металлизации или обрывов металлизации верхнего уровня. Причиной разрывов может быть эффект "самозатенения" при формировании пленки, возникающий из-за различия скорости ее роста на гладких и шероховатых поверхностях [2]. Равномерности по толщине межслойного диэлектрика и отсутствие закороток и обрывов на ступенях можно добиться сглаживанием ступенчатого рельефа поверхности подложки.
Обрывы металлизации на ступенях и эффект "самозатенения" устраняют, используя различные технологические приемы, при нанесении металлизации:
- повышение температуры подложки и скорости нанесения пленки для увеличения подвижности адсорбированных атомов пленки;
- применение различных приспособлений для нанесения металла под углом к поверхности подложки, обеспечивающих получение коэффициента заполнения сложных профилей, близкого к единице и др.
Межповерхностные связи в области контакта "пленка – подложка" имеют существенное значение, так как шероховатость поверхности подложки создает сильную межповерхностную макроскопическую связь даже при слабой межатомной связи. Так при напылении в вакууме шероховатость поверхности подложки может привести к появлению различных структурных дефектов типа пустот и вакансий, которые и являются причиной ухудшения адгезии [3].
Низкая адгезия металлизации может быть обусловлена несогласованностью свойств контактирующих материалов, неправильным выбором методов или технологических режимов получения пленок, некачественным проведением процесса металлизации или подготовки поверхности подложки, что приводит к образованию барьерных слоев на границе раздела и ограниченному взаимодействию контактирующих материалов, которые можно устранить при межоперационном контроле.
Ухудшение адгезии металлизации при термообработках может быть обусловлено действием высоких внутренних напряжений в металлических пленках, так как при этом в пленках возникают напряжения сжатия, вызванные увеличением размера их зерна. Таким образом, в зависимости от знака собственных внутренних напряжений в пленке происходит увеличение или уменьшение суммарных механических напряжений. При превышении критической величины, определяемой свойствами границы раздела контактирующих фаз, наблюдается отслаивание пленки от подложки.
Высокие внутренние напряжения приводят к отслаиванию металлизации или разрывам ее в областях с максимальными значениями внутренних напряжений. Тяжесть этого вида отказов заключается в том, что процесс разрушения сильно растянут во времени и вызван возрастанием статической усталости материалов. Используемые в качестве подложек полупроводниковые материалы хрупкие, для них характерно разрушение отрывом без предварительной деформации.
Механические напряжения, возникающие вследствие различия свойств материалов пленки, границы раздела "пленка – подложка" и самой подложки могут быть значительно уменьшены при определенной толщине пленки. При этом на границе раздела должны отсутствовать микропоры и другие дефекты, которые могут стать концентраторами внутренних напряжений. Величина внутренних напряжений в тонких металлических пленках зависит от технологических параметров процесса их осаждения и последующих обработок.
Структурные напряжения в пленке диэлектрика возникают в процессе осаждения пленки и определяются условиями его проведения (температура подложки, скорость осаждения и т.д.). Для уменьшения структурных напряжений проводят термообработку, что обеспечивает снижение плотности точечных дефектов и увеличение плотности пленок.
Действие этого эффекта усиливается по мере увеличения температуры обработки до определенного предела в зависимости от природы материала диэлектрической пленки.
Механизм возникновения структурных напряжений в диэлектрических пленках определяется действием факторов:
- эффектом поверхностного натяжения в пленках;
- природой кристаллических дефектов;
- равномерностью кристаллической структуры по толщине пленки и др.
Для качества формирования контактно-металлизационных систем немаловажно явление электромиграции. Явление электромиграции, связанное с переносом массы материала межсоединений под действием внешнего электрического поля и вызванного этим полем тока, играет существенную роль в многоуровневых системах межсоединений [4].
Для повышения сопротивления электромиграции используют метод легирования металлов различными примесями (бериллий, медь, магний), являющимися эффективными барьерами массопереноса материала. Эти примеси имеют относительно высокую энергию связи вакансий.
Другим методом снижения явления электромиграции является использование защитных диэлектрических покрытий, играющих роль механического барьера. При этом рост толщины диэлектрического покрытия увеличивает вероятность образования мелких холмиков на всей поверхности металлизации, а не отдельных высоких пиков. Использование пленки оксида алюминия Al2О5, полученной анодированием поверхности алюминиевого проводника, обеспечивает надежную защиту от электромиграции и улучшает однородность слоя диэлектрика.
Для снижения электромиграции используют тугоплавкие металлы: молибден, вольфрам, хром, титан и др., которые, помимо высокой температуры плавления в перекристаллизации по сравнению с алюминием и другими более легкоплавкими системами, имеют меньшее значение коэффициента диффузии и более высокое значение энергии активации самодиффузии, что свидетельствует об отсутствии подверженности электромиграции.
ВЫВОДЫ
Действие высоких внутренних напряжений в металлических пленках зависит от технологических параметров процесса их осаждения и последующих обработок и обуславливает ухудшение адгезии при термообработке, что приводит к отслаиванию металлизации или ее разрывам. Для улучшения адгезии металлизации обеспечивают согласованность свойств контактирующих материалов, правильно выбирают технологический режим получения пленок и подготовки поверхности подложки.
Уменьшение структурных напряжений в пленке диэлектрика в процессе осаждения достигается термообработкой, что обеспечивает снижение точечных дефектов и увеличение плотности пленки. Для снижения электромиграции используют тугоплавкие металлы.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Мустафаева Д.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев М.Г. Формирование многоуровневой системы межсоединений и повышение воспроизводимости процесса при создании элементов интегральной электроники // Наноиндустрия. 2019. № 6.
Технология тонких пленок / Под ред. Л. Майссела, Р. Гленга. – М.: Советское радио, 1977. 663 с.
Мустафаева Д.Г., Мустафаев Г.А., Мустафаев М.Г. Воспроизводимость и стабильность технологии и параметров структур микроэлектронных приборов // Наноиндустрия. 2019. № 5. С. 56–59.
Лихтман Е.Н., Донишев Б.Г. Многослойные
контактные системы на основе молибдена и алюминия // Электронная техника. Сер. 2. 1971. Вып. 4. С. 46–51.
Отзывы читателей
