Материал для изготовления тонкопленочных межсоединений интегральных микросхем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1608 А 1 19) 23/00 ОБР ИСАНИ К АВТОРЧИК СВИДЕТЕЛ ЬСТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР(71) Институт электроники АН БССР и Институт металлургии им, А.А.Байкова (72) В,М.Колешко, В.Ф.Белицкий, Н.Р.Бочвар, Е.В.Лысова и Е.И.Лапицкий(54)(57) МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ (ИМС) на Изобретение относится к микроэлектронике, в частности, к области изготовления. интегральных микросхем (ИМС) и полупроводниковых приборов, и может быть использовано для улучшения качества тонкопленочных межсоединений активных элементов.Известен материал для изготовления межсоединений ИМС на основе алюминия, содержащего добавки кремния, Тонкопленочные межсоединения ИМС, выполненные из указанного материала, имеют повышенную устойчивость к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока. Введение кремния 1,0- 1,5 мас. , т.е. в количестве, равном пределу растворимости кремния в алюминии при температурах 475-500 С, равных температурам вжигания пленок для создания амических контактов, препятствует растворению кремния в алюминии, что практически искоснове алюминия, содержащий редкоземельный металл и/или смесь редкоземельныхметаллов,отличающийся тем,что, с целью улучшения электрофизических свойств тонкопленочных межсоединений ИМ С при сохранении высокой устойчивости к отказам, он дополнительно содержит кремний при следующем содержании компонентов, мас. о:Редкоземельныйметалл и/или смесиредкоземельныхметаллов 0,01-4,0 Кремний 0,1-2,0 Алюминий Остальное лючает короткие замыкания мелколежащих р-и-переходов за счет диффузии атомов алюминия в область р-п-перехода.Существенным недостатком тонкопле- ф ночных межсоединений ИМС на основе а алюминия, содержащего добавки кремния, О является достаточно большой средний размер зерен ( 0,3-0,4 мкм) й то, что в процессе отжига при температурах 475-500 С в результате рекристаллизации на поверхности таких пленок образуются выступы, име-ф ющие размеры в основании 0,6 мкми высоту 0,2-0,3 мкм. Поэтому тонкие плен. ки из алюминия, содержащего добавки кремния, не могут быть применены при изготовлении межсоединений ИМС микронных и а субмикронных размеров. Минимальная ширина межсоединений; которая может быть на. дежно. получена из указанного материала известными методами фотолитографии, составляет 4-6 мкм. Значительные размеры не 1160896ровностей микрорельефа поверхности пленок (ширина в основании0,6 мкм и высота ф 0,2-0,3 мкм), сравнимые с толщиноймежуровневого диэлектрика( - 0,3-0,4 мкм),затрудняют использование пленок иэ алюминия, содержащего добавки кремния, примногоуровневой разводке межсоединенииИМС за счет отказав, обусловленных разрушением межуровневого диэлектрика неровностями микрорельефа поверхности пленоки короткого замыкания между проводящими слоями.Наиболее близким техническим решением является материал для изготовлениятонкопленочных межсоединений ИМС наоснове аламиния, содержащий редкоземельный металл (РМЗ) или смесь редкоземельных металлов,Достоинсва экого мат 8 риала для изгОтовления межсоединений ИМС состоят вВысокой устойчивости тонких пленок из него к отказам, обусловленным массопереносом пад действием электрического тока икоррозии, высокой свариваемости алюминиевой и золотой проволокой. Высокая степень дискретности пленок, средний размеозерен при содержании, например, Но в количестве 0.,7 мас,% составляет 0,1-0,15 мкм,сохраняющаяся при термаабработке притемпературе - 475-500 С, позволяет формировать межсоединения ИМС с минимальной гшиаинай 0,5-".,0 мкм.К;едостаткам материала для изготовления танкапленачнь х межсаединенийИМС на Основе алюминия с добавками редкоземельных металлов относится то, чтопереходное контактное сопротивление (й)тонких пленок ал 1 аминия, содержащих до.бавки редкоземельных металлов, на 25-35%Выш 8, ч 8 м Рк гленак алюминиЯ к кРемниюи-типа, и на 35-40% выше, чем Як пленокалюминия, содержащих добавки кремния,Цель изобретения - улучшение электрофизических свойств тэнкаг 1 леначных межсОединений ИМ( и палупрОВОдникОВыхприборов преимущественно с мелкими р-ипереходами и микронными и субмикронными размерами элем нтов при сохранениивысокой устойчивости к отказам, обусловленным массопеаеносом пад действиемэлектрического тока и коррозии, высокогокачества микросварки алюминиевой и золотой проволокой.Цель достигается тем, что материал дляизготовления тонкопленочных межсоединений ИМС на Основе алюминия, содержащийредкоземельньй металл и/или смесь редкоземельных металлов, дополнительно содержит кремний при следующем содержаниикомпонентов, мас ",",; Редкоземельныеметаллы и/или смесиредкоземельныхметаллов 0,01-4,0 Кремний 0,1-2,0 Алюминий Остальное Количественный состав компонентов, входящих в данный материал, определяется по их влиянию на размер зерен тонкой пленки, полученной из этого материала, переходное контактное сопротивление к кремнию, рельеф поверхности пленки,Нижняя граница входящих в данный материал ингредиентов определяет минимальное содержание примеси, при отарой наблюдается эффект уменьшения контактного сопротивления тонкой пленки и сохраняются необходимые требования по размеру зерен, микрарельефу поверхности (см.табл,1, в которой приведены примеры граничных и оптимального количества содержания ингредиентов), а также сохраняются высокая устойчивость к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока и коррозии, высокое качество микросварки алюминиевой и золотой проволокой. Повышение устойчивости к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического токаи коррозии, а также качества ультразвуковой микросварки достигается введением в пленку примесей РЗМ. Верхняя граница Определяет та максимальное содержание примеси, при котором также имеет места уменьшение й при сохранении прочих вышеуказанных свойств.Материал получают обычным способом плавки алюминия, кремния, РЗМ и/или смесей РЗМ в дуговой печи, например, марки-200 с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поддоне в атмосфере инертного газа. Перемешивание сплава осуществляется в этом случае с помощью дуги. Условия плавки следующие: давление гелия в печи "400 мм рт,ст ток - 1200-1600 А при напряжении 30-40 В, Воемя одного переплава 3-5 мин. Для более равномерного распределения РЗМ и Я каждый слиток переплавляли 3-4 раза. Затем проводили гомогениэирующий отжиг слитков на воздухе в течение 3-4 ч при температуре 450 С, Слитки имели диаметр 100 мм и высоту 8 мм. Из этих слитков готовили мишени для магнетроннога распыления материала. Для этого их обрабатывали на токарном станке при скорости обработки 63 об/мин, При этом исключалось использование охлаждаемых эмульсий. После обработки на токарном станке мишени имели40 размеры; диаметр 95-0,5 мм, толщина 5 Ф,5 мм.Перед помещением в устройство для магнетронного распыления полученные мишени обрабатывались в полирующем растворе следующего состава: НзР 04 - 16 частей, НМОз - 1 часть, СНзСООН - 1 часть, Н 20 - 2 части в течение 3-5 мин, при температуре 30-40 фС. Условия получения тонких пленок методом магнетронного распыления мишени диаметром 95 мм и толщиной 5 мм следующие: ток мишени - 1,0-1,5 А, Ом-560 8, давление аргона в камере 1,3 10 мм рт.ст., температура кремниевой подложки была равной 170 С. Скорость напыления пленки при этих условиях 0,02-0,04 мкм/с. При этих же условиях распыляли и алюминий (марка й 99), а также материалы для изготовления межсоединений на основе алюминия с добавками РЗМ и 51,Результаты сравнительных испытаний представлены в табл. 2 При определении переходного контактного сопротивления замеряли сопротивление цепочки из 18 контактов на тестовом элементе. Доза легирования и -области была равной 700 мкКл. Из табл.2 следует, что предложенный материал имеет более низкое контактное сопротивление к кремнию, чем известные материалы, при сохранении высокой устойчивости к отказам, обусловленным массопереносом под действием электрического тока. Оценка величины нормального электродного потенциала в растворе этиленгликоля пленок алюминия с добавками РЗМ и 31 показала, что он менее отрицателен, чем для алюминия, а также алюминия с добавками 9, и по порядку величины сравним снормальным электродным потенциалом алюминия с добавками РЗМ 0,48 В (см.табл.2). Это позволяет заключить о высокой коррозионной стойкости тонкопленочных межсоединений ИМС на основе предлагаемого материала. 5 10 15 20 25 30 35 Были получены также материалы на основе алюминия и других РЗМ, содержащие кремний, Использовали У; УЬ; Се; Мс и другие РЗМ, Результаты исследования Я, среднего размера зерен, микрорельефа поверхности и других свойстз незначительно отличаются от представленных в табл,1 и 2. Использовали также мишметэлл - смесь РЗМ, содержащий Се - 45-50; Мс - 18; Рг - 5; Яв - 1; Ью - 20-25; остальное: примеси У, Ео,ТЬидругиеРЗМ, атакжеА 1; Со; Са; Мп;31; Ю; Рб; Ре; С. Результаты аналогичны, В частности, Р - 250-300 Ом, Микрорельеф поверхности, средний размер зерен пленок, средняя наработка на отказ, нормальный электродный потенциал - все эти характеристики по величине незначительно отличаются от тех, которые были получены на образцах А+Но+31; А+ТЬ+31; А+Ее+В.. Таким образом, данный материал для изготовления тонкопленочных межсоединений ИМС, используемый и для полупроводниковых приборов, имеет существенные преимущества по сравнению с известными: по величине микронеровностей рельефа поверхности пленок, полученных путем его распыления, и более равномерному распределению зерен по размеру, а также величине переходного контактного сопротивления к кремнию, При этом сохраняется высокая устойчивость тонкопленочных проводников из указанного материала к отказам, обусловленнымм. массопереносом под действием электрического тока и коррозии, а также высокое качество микросварки алюминиевой и золотой проволокой; Материал можно также использовать при изготовлении межсоединений МОП-интегральных микросхем с мелкими р-п-пере-. ходами и многоуровневой системой разводки, например, при изготовлении микросхем для электронных наручных часов, а также микросхем другого назначения.Таблица 1 Зависимость контактного сопротивления и размера зерен от состава материала Харарист оОЪоо ао СЭ а 3 Ч 1 ОЪ а о чэ о 1 ЧОЪ СОо о ъоо ОЪ ОЪ О а оо о 4 о о Ооо о Ч 1 ОЪо ОЪ о 1С а СЭ 1 Ч в о 1 а о о ОЪ Ч 3 о ОЪ ОЪ ОЪо о 7 1 Ч о 1 о СС Га СЭ 1 Ч1ОЪСЭ о о ОЪ м ОЪ о 1 ОЪ о 1. м в о 1 1 Ч сэ Ф в ом в о о о с о м ч 1е т а ч 3 1 е тт т 1" е т.т т сЕа СЯ ей 6 о е е1 К 1а 1О1 Ок 1 1 1 1 а 1 3 О 1+ 1а1 1к 1 1 1Ф1 л 1 31О 1+ 3 1 Ф 311 СЭ 1 1 к 1 1 11 Эл 11 1 О 1 11 н .1 1фк 1 л 1 1 в 1 1 О , 1 + 3 1 а11 1 31 1 1 1 Ф 1 1 Ы 3 1 К 3л 1 1 в1 О 1 1 + 1 6 л Ое1 М1 К+ 1 3 ю 4 1 1 11 1 11 1 34 3 1 3 1 1 1 1 11 111 х Е е СЧ, вЪх СО УЬl