Способ изготовления межсоединений полупроводниковых приборов

1 ц 1829767121(28 51) б И и) ОБПСАБКЕ ПЗОБРЕТЕ К ЯВТОДСЕОМе СВБДС"1"СЛЬС 1 Б ь Мй Комитет Российаой Федераци 1 ио латентзм и товариым знакам(71) Нау Ено-исследовательский техцологическй институт пр 11 ооростроееи 1 я(57) Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано В произВодстве полупроводниковых приборов разлцч- НОГО ешзцачее 1 ия В частности, Егри цзГОтОВ- ленни межсоедипеций и транзисторах, интегральных микросхемах ц других функциональных тоцкоплсцочцых устройствах с повы 1 пецнымп требогаццями ГЕо адгезиц и электросопротивлсццю. На кремцисву 1 о подложку с диэлектрическим слоем методом термического испарепия в Вакууме наносят трех компацецтцый сплав цз трех групп (мас.%); Мп, М 8 0,5 - 3; ИЕ, Те, Сг 1 - 5; Л 1, Аи, Р 1, Рс 1, Сц - Остальное, при трехступенчатом изменении температуры испарцтеля на первом и Втором участках уменьшают по ге перболцчсскому закону по меое пспаресцея ОчсреднОГО компонента сплава, затем увеличивают до температуры испарения последу 1 ощего компонента в момент полного испарения предыдущего компонета, а на третьем участке температура поддерл 11 ваетс 11 11 остояццо 11 до полноГО испарения сплава Испарение Ведут из ц 1 елццд рического тигсльного испарителя с отношением высоты к днамстру ие менее трех В котором создается постоянный и однородный градиент температуры, направленный перпендикулярно вертикальной оси тигля, численное значение Г которого удовлетворяет соотношению где и - кинематцческая вязкость расплава;11 р и К - теплопроводность расплава и тигля соответственно; 11 О - исходная ( до начала испарения) высота уровня расплава в испарцтеле; я - ускорение силы тяжести; Р - температурный коэффициент объемного расширения расплава; й. - радиус основания тиГля е.е и 7 у - соответстВ ецио коэффициент молекулярнои диффузии и время полного испарения из расплава наиболее3 1829767 4летучего компонента при данной темпера- устойчивости стационарной свободной контуре; бган - минимальное критическое чис- векции в расплаве, 3 ил,ло Грасгофа, определяюшее границуИзобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов различного назначения, в частности при изготовлении межсоединений в транзисторах, 5 интегральных микросхемах и других функциональных тонкопленочных устройствах с повышенными требованиями по адгезии и электросопротивлению.Цель изобретения - увеличение адгезии 10 межсоединения в подложке, снижение его удельного электросапротивпения и повышение воспроизводимости значений электросопротивления, а также снижение механических напряжений д межсоединении.Поставленная цель достигается тем, что на подложку методом термического испарения в вакууме наносят трехкомпонентный сплава А - В - С, где в качестве компонентов 20 А, В и С выбираются металлы - по одному от каждой из следующих трех групп: А=Мп, Мд; В=Сц, А 1, Ац, Р 1, РО; С=К, Т 1, Сг, с содержанием компонентов, мас. ,: А 0,5 - 3;1 - 5, В - остальное, 25В процессе испарения сплава осуществляют трехступенчатое изменение температуры испарителя, причем температуру нэ первом и втором участках снижают по гиперболическому закону по мере испарения Э 0 очередного компонента сплава, затем повышают до температуры испарения последующего компонента в момент полного испарения предыдущего, а на третьем участке, температуру поддерживают постоян- З 5 ной до полного испарения сплава (см, фиг.1).Испарение сплава производят из цилиндрического тигельного испарителя отношением высоты к диаметру не менее трех. 40Испарение сплава производят при постояннбм однородном градиенте температуры Р, направленном перпендикулярно вертикальной оси тигля и удовлетворяющем соотношению 45 120(1+К /К )ийр т о 0ф т23 Нч(1+К /К )р 502 цДВ где Р- кинемэтическая вязкость расплава; 55 Кр и Кт - теплопроводность расплава и тигля соответственно йо - исходная высота уровня расплава в испарителв; д - ускаоение силы тяжести;ф - температурный коэффициент обьемного расширения расплава;В - радиус основания тигля;О и тч - соответственно коэффициентмолекулярной диффузии и время полного испарения расплава наиболее летучего компонента;Огп - минимальное критическое числоГрасгофа, определяющее границу устойчивости стационарной свободной кон векции в расплаве.Сущность предложенного способа заключается в следующем.Характерной особенностью кинетикииспарения рассматриваемой группы сплавов А-В-С является их фракционирование, обусловленное значительным различием упругости паров компонентов, В результате этого, при полком испарении в вакууме навески сплава, на подложке будет формироваться слой с определенным концентрационным профилем, в котором вблизи подложки располагается область преимущественно компонента А (в качестве которого берется Мп или Мд), обеспечивающего за счет химического типа взаимодействия с подложкой хорошую адгезию. За слоем компонента А следует (без резкого перехода, как это наблюдается в слоистых структурах; слой компонента В (это Сд, А 1, Ац, Рт или Рб) обеспечивающий высокую электрапроводность пленки. И, наконец, внешний слой - это слой компонента С(М, Т 1 или Сг), выполняющий защитную (антикоррозионную функцию.Эксплуатационные параметры тонкопленочных межсоединений, получаемых из сплава А-В-С, существенным образом зависят от воспроизводимости заданного концентрационного профиля. Формированием же последнего можно эффективно управлять путем изменения температуры испарителя лишь при условии, что процесс испарения сплава А - В - С протекает в кинетической области.Для реализации заявляемого технического решения, в процессе испарения сплава А-В-С, создается постоянный и однородный градиент температуры, ориентированный перпендикулярно вертикальной оси испарителя, который обеспечивает свободно конвективные движения расплава параллельно этой оси. Выбор диапазона численных значений создаваемого градиен. та температуры (Р) устанавливается аналитически из следующих требований:ограничение снизу на величину градиента обусловлено необходимостью создания в расплава достаточно интенсивного5 10 15 20 25 30 40 50 конвективного перемешивания с тем, чтобы процесс испарения сплава полностью протекал в кинетической области;ограничение сверху на величину градиента обусловлено необходимостью реализации свободной конвекции расплава в стационарном режиме с тем, чтобы гидро- динамическая обстановка в расплаве была строго фиксированной и не зависела от случайных факторов.Выбор для реализации заявляемого технического решения цилиндрического тигельного испарителя с отношением его высоты (и) к диаметру (0) не менее трех обусловлен тем, что для других типов испарителей и при -3 практически не пред 1бставляется возможным обеспечить в расплаве, в процессе его испарения, стационарную свободную конвекцию.Теоретический анализ показал, а многочисленные эксперименты подтвердили, что при испарении сплава А-В-С в кинетическом режиме, можно обеспечить оптимальную (с точки зрения получения межсоединений с требуемым комплексом свойств) глубину его фракционирования путем трехступенчатого изменения температуры испарителя, описанного в формуле изобретения. Численные значения параметров, исходящих в закон изменения температуры испарителя Т(т), являются расчетными величинами, зависящими от термодинамических характеристик данного конкретного сплава из рассматриваемой группы А - В - С.На основании вышеизложенного следует ожидать, что межсоединения, получаемые предлагаемым по сравнению с прототипом. Это объясняется в первую очередь тем, что реализация достаточно глубокого фракционирования при испарении сплава обеспечит такую локализацию слоев А, В и С в пленке, которая практически полностью исключит влияние атомов компонентов А и С как рассеивающих центров в матрице металла В, несущего основную токопроводящую функцию,По той же причине улучшится адгеэия межсоединения к подложке, так как на начальном этапе, когда испаряется компонент А, обеспечивающий адгезию, испарение компонента В полностью исключается,Предлагаемый способ позволяет получать межсоединения, имеющие существенно более низкие внутренние (механические) напряжения. В межсоединениях, получаемых по способу-прототипу, сопряжение не- совпадающих кристаллических решеток слоя окисла и проводящего слоя происходит когерентно (кристаллические плоскости непрерывно переходят друг в друга). Это приводит к максимальным упругим смещениям кристаллических решеток и, следовательно, к максимальным внутренним напряжениям, В межсоединениях, изготовленных по предлагаемому способу, существует другой механизм компенсации, несоответствия кристаллических решеток компонентов А и В, В и С. Этот механизм связан с появлением большего количества дислокаций, которые частично компенсируют несоответствия двух пар сопрягающихся решеток, Поэтому уровень внутренних напряжений в этом случае существенно понижается.Кроме того, в межсоединениях, изготовленных по способу-прототипу, возникает дополнительный вклад во внутренние напряжения, связанный с различием температурных коэффициентов линейного расширенич материалов окисного и проводящего слоев, В заявляемом способе этот вклад отсутствует, так как межсоединения представляют собой единую монолитную систему.Предлагаемый способ изготовления межсоединений полупроводниковых приборов позволяет, рассчитав предварительно температурный режим испарения, необходимый для реализации оптимальной глубинь фракционирования, данной навески сплава А - В - С, в дальнейшем осуществлять испарение, строго следуя этому режиму. При этом сам процесс испарения становится высокотехнологичным, а параметры получаемых межсоединений имеют устойчивую воспроиэводимость.Напыление пленок межсоединений проводилось на установке УВН - 71 П. Адгеэия (А) напыленных пленок к подложке определялась путем приклеивания к пленкам цилиндрических стержней диаметром 5 мм эпоксидным компаундом с последующим их отрывом на разрывной машине МР - 0,5-1, Электросопротивление р пленок определялось четырехэондовым методом на потенциометре постоянного тока Р - 363. Толщина пленок измерялась микроинтерферометром МИИ, Механические напряжения о в пленках измерялись рентгенометрическим методом на установке "Дрон". Значения температур на поверхности тигля определялись вольфрам-вольфрамрениевыми термопараии,На фиг. 2 приведена конструкция универсального испарителя, использованная при реализации предлагаемого способа из гатовления межсаединений полупроводниковых приборов. Цилиндрический керамический тигель 1 помещен в универсальный испаритель с экраном2 и снабжен основным нагревательным элементом 3, который выполнен в виде равномерно навитой по всей высоте тигля вольфрамовой проволоки, Целенаправленное варьирование средней температуры расплава Т(т) в процессе его испарения осуществляется путем изменения величины тока, протекающего через основной нагревательный элемент 3..Чтобы обеспечить постоянный градиент температуры в обьеме расплава в процессе, его испарения, симметрично относительно вертикальной оси тигля (ось 00 на фиг. 2) дополнительно устанавливают два нагревательных элемента 4 и 5. Эти нагревательные элементы выполнены из вольфрамовой проволоки, изогнутой в виде спирали (фиг. 3), и имеют автономные источники питания.В точкахи(фиг. 2), расположенных симметрично относительно аси 00 находятся две вольфрам-вольфрамрениевые термапары, с помощью которых контролируются значения температур в этих очках Т и Тц, Регулируя величину токов нагревательных элементов 4 и 5 (в частности, один из них может быть отключен), добиваются, чтобы в течение всего процесса напыления сплава разность температур ЛТ=Т 1-Т оставалась настоянной величиной, соответствующей требуемому значению градиента температуры Е, ЬТ=Гс 1, где г - диаметр тигля,Предварительно, для каждого конкретного сплава из рассматриваемой группы А - В - С, рассчитывается закон изменения со временем средней температуры расплава Цт) и производится оценка величины температурного градиента Р согласно соотношению (1) (оптимальное значение Р уточняется экспериментом), Напыление сплава осуществляют, строгоследуя этим температурным режимам.На фиг. 1 показан ступенчатый ход изменения температуры испарителя Т(т) и изменения масс компонентов в расплаве Мд(1), Мв(1), Мс(1) в зависимости от времени испарения (с); на фиг, 2 - универсальный исполнитель; на фиг. 3 - дополнительный нагревательный элемент.П р и м е р. Кремниевую подложку с ориентацией (100), содержащую диффузионные области, окислвот при 127 ЗК в течение 40 мин в атмосфере водяного пара и формируют термический окисел кремния толщиной не менее 0,5 мкм, создающий защитную диэлектрическую пленку. Далее наносят фотореэист и на установке совмещения и экспонирования формируютфоторезистивную м;,оку в соответствии сконфигурацией контактных окон. Затемвскрывают в буферном травителе контакт 5 ные окна, снимают фоторезист в сернокислай смеси и проводят отмывку. После этогона кремниевую подложку со вскрытыми контактными окнами в слое Я 02 наносят сплавдля формирования межсоединений,10 Напыление пленок межсоединений изсплава А - Зо( И - 2;ь Мп осуществляют следующим образом. Откачивают рабочую камеру до давления 2 х 10 мм рт. ст., затемнагревают кремниевую подложек с диэлек 15 трическим слоем Я 02 до 573 й 10 К и выдерживают ее при этой температуре в течениевсего процесса напыления,Увеличивая ток основного нагревательного элемента 3, доводят температуру рас 20 плава до значения Т=1273 К и при этойтемпературе производят дегазацию навески сплава в течение 1 - 1,5 мин. Затем, регулируя так нагревательных элементов 4 и 5создают перепад температур в тачкахи И25 равный Л Т=180 К (что соответствует значению градиента температуры Г=15(град/см),и в дальнейшем, в течение всего процессанапыления, поддерживают его постоянным,Затем, регулируя так основного нагрева 30 тельного элемента 3 в течение 7 с увеличивают температуру расплава до Т=1473 К и,плавно меньшая ее по законуТ(с)=138 х 10 /115+0,3(1) в течение 17 с до значения Т=1423 К, осуществляют преимущест 35 венное испарение Мп из расплава, затем втечение 7 с увеличивают температуру расплава до Т=172 ЗК и плавно уменьшая еепо закону Тф=117 х 10 /(78+0,04 т) в течение128 с до значения 168 ЗК, испаряют А-фрак 40 цию. После этого в течение 7 с доводят температуру расплава до Т=2073 К и при этойтемпературе испаряют оставшийся Ю-компонент сплава в течение 23 с.После окончания напыления подложку45. выдерживают при 573 К в течение 10 минпосле чего ее охлаждают до 443 К и напускают воздух в вакуумную камеру. Затем фоторезист толщиной 0,7 - 0,8 мкм наносят накремниевую подложку с металлизацией с50 помощью центрифугирования. Проводятсушку ее при 363 К в течение 30 мин, послечего методом фотолитографии формируютрисунок межсоединения из А-сплава,Для сравнения из того же сплава изго 55 тавлены межсоединения по способу, описанному в прототипе. Методоммагнетронного распыления на установкеУРМЗ,279,050 напылялись пленки такой жетолщины ( 1 мкм). Защитный слой окисласоздавался методом внодного окисления с помощью водного раствора хромовой кислоты.В таблице приведены результаты сравнительных испытаний межсоединений, из готовленных по способу-прототипу и заявляемому. Воспроизводимость значений удельного электросопротивления межсоединений оценивалась по величине разброса этого параметра от партии к пар тии при одинаковых режимах напыления, Количественно этот разброс характеризуется величиной. 2д100%Р 15 где усреднение значения р производится по всем партиям. 20Все пленки межсоединений напылялись одинаковой толщины ф- .1 мкм. При Формула изобретенияСПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, включающий нанесениесплавов металлов на кремниевую подложку с диэлектрическим слоем, форми- Э 0 рование конфигурации межсоединений с помощью фотолитографии и селективное травление, олтлтающийся тем, что, с целью снижения удельного электрического сопротивления и механических Э 5 напряжений, увеличения адгезии межсоединений к подложке при повышении воспроизводимости значений злектросопротивления, на подложку накосят трехкомпонентный сплав А-В-С, содер жащий, мас,о, в . качестве А, Мп, Мц 05 - 3; В, Ю, Т 1, Сг 1 - 5, С, Сц, А 1, Ац, Р 1, Рс 1 - Остальное, причем сплав наносят испарением с последующей конденсацией на подложку при трехсту пенчатом изменении температуры испарителя, при этом температуру на первом и втором участках снижают по гиперболическому закону по мере испарения каждого компонента сплава, затем повышают до температуры испарения последнего компонента в момент полного испарения предыдущего, а натретьем участке температуру поддержисают постоянной до полного испарения реализации заявляемого способа испарение вели из цилиндрического тигельного испарителя с отношением высоты к диаметру М),5,Сравнение способа-прототипа и заявляемого показало, что последний позволяет в 1,4 раза увеличить адгезйю межсоединения к подложке 3102 в 2,5 раза снизить механические напряжения в межсоединении, более чем в 2 раза снизить его удельное электросопротивление и в 5 раз увеличить воспроизводимость значений электросопротивления. Это обстоятельство, а также высокая временная стабильность электрофиэических параметров межсоединений, получаемых предлагаемым способом, делает его весьма перспективным в технологии производства полупроводниковых приборов.Аналогичные результаты получены и для других сплавов, указанных в формуле изобретения.сплава, причем испарение сплава производят иэ цилиндрического тигельного испарителя с соотношением. высоты к диаметру не менее трех при постоянном и однородном градиенте Г температуры, направленном перпендикулярно вертикальной Оси цилиндра и удовлетворяющем соотношенио120(1+К /К )уЬр т о Ю2 РВ(1+К ГК )уГ Сг,2 аРКгле- кинематическая вязкость расплава;Кр И Кт - тЕПЛОПрОВОдНОСтЬ раСПЛаВаи испарителя соответственно;10 исходная высота уровня расплава в испарителе;ц - ускорение силы тяжести;р - температурный коэффициент обьемного расширения расплава;й - радиус основания испарителя;О, тч - соответственно коэффициентнаиболее летучего компонента:Огп - минимальное критическое числсГрасгофа, определяющее границуустойчивости стационарной свободной конвекции в расплаве, 18297671829767 Составитель С.БаранцевТехред М.Моргентал Корректор М, Куль Редактор О.Стенина Заказ 43 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101