ТЕСТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЛАНАРИЗАЦИИ

Областью применения предлагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно - устройство для оперативного контроля качества планаризации слоя изолирующего диэлектрика, нанесенного на полупроводниковую структуру с многоуровневой металлизацией, при производстве интегральных схем и полупроводниковых приборов.
В структурах современных сверхбольших интегральных схем необходима реализация многоуровневой металлизации. Наличие двух и более слоев металлизации приводит к неравномерности высот на поверхности кристалла. После осаждения слоя межуровневой изоляции в местах, где расположены металлические проводники, слой диэлектрика содержит выпуклости, а в местах, где проводники отсутствуют, образуются впадины. Обычно толщина металлизированного слоя должна быть больше, чем максимальный перепад высот на поверхности кристалла. Чем больше слоев металлизации используется, тем больше перепад высот на поверхности кристалла, и тем выше вероятность обрывов металлизации последующих слоев. Для выравнивая поверхности кристалла используются планаризующие слои изолирующего диэлектрика.
Для того чтобы убедиться в качестве наносимого планаризующего слоя изолирующего диэлектрика, применяется тестовый элемент, состоящий из первого уровня металлизации, сформированного в виде змейки, нанесенного на него планаризующего слоя изолирующего диэлектрика, второго уровня металлизации, проходящего по образованному первым уровнем металлизации рельефу, и контактных площадок. Для оценки качества планаризующего слоя изолирующего диэлектрика измеряют сопротивление. Значение сопротивления, стремящееся к бесконечности, говорит о наличии обрывов второго уровня металлизации, а значит, и недостаточном качестве планаризующего слоя изолирующего диэлектрика.
Известен тестовый элемент для контроля качества планаризации, содержащий полупроводниковую пластину, сформированный на ней рельеф из проводящих шин первого уровня в виде змейки, планаризующий слой изолирующего диэлектрика, проводящий слой второго уровня, проходящий по рельефу, сформированному первым проводящим слоем, и контактные площадки (см., например, статья «Addressable Failure Site Test Structures (AFS-TS) for Process Development and Optimization)) Kelvin Yih-Yuh Doong, Sunnys Hsieh and other, в сборнике материалов международной конференции «Microelectronic Test Structures, 2000. ICMTS 2000.)), стр. 51-56).
Недостатком данного тестового элемента является низкая оперативность контроля качества планаризации из-за того, что до проведения контроля необходимо нанесение второго слоя металлизации. Также конструкция тестового элемента не позволяет сделать однозначный вывод о причине брака.
Данные недостатки частично устранены в наиболее близком к предлагаемому тестовом элементе для контроля качества планаризации, содержащий полупроводниковую пластину, сформированный на ней рельеф из проводящих шин, состоящий из ряда выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором, ряда выступов минимального по ширине размера с увеличенным зазором и ряда увеличенных по ширине выступов с минимальным зазором, и планаризующий слой изолирующего диэлектрика (см., например, патент RU 166142, класс H01L 21/66 от 04.07.2016 г.).
Оперативный контроль обеспечивается тем, что с помощью профилометра по поверхности тестового элемента снимают профилограмму до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика и после его нанесения.
Недостатком данного тестового элемента является сложность выявления наличия пустот между шинами на ряде выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором, при нанесении планаризирующего покрытия, например из газовой фазы, образуются пустоты, что приводит к трещинам. Пустоты образуются из-за того, что на границе шин минимального по ширине размера и минимальном зазоре скорость осаждения планиризирующего покрытия несколько выше, чем в плоской части, и образующаяся «крыша» из планаризирующего покрытия может перекрыть доступ реагента к впадинам (см.: статью LPCVD of Borophosphosilicate Glass from Organic Reactants, D. Williams, E. Dein Journal of The Electrochemical Society стр. 663). Также снятие профилограмм до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика и после его нанесения усложняет контроль качества.
Результатом полезной модели является обеспечение оперативной визуальной оценки качества нанесения планаризирующего покрытия в части наличия пустот между шинами.
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известных тестовых элементов, в предлагаемом тестовом элементе для оперативного контроля качества планаризации слоя изолирующего диэлектрика, который содержит полупроводниковую пластину, сформированный на ней рельеф из проводящих шин, состоящий из ряда выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором, ряда выступов минимального по ширине размера, расположенных с увеличенным зазором, и планаризующий слой изолирующего диэлектрика, при этом ширина увеличенного зазора равна двум толщинам планаризирующего слоя изолирующего диэлектрика, нанесенного поверх проводящих шин, и имеющего толщину, не менее толщины проводящих шин, при этом планаризирующий слой изолирующего диэлектрика имеет рельеф со впадинами над всеми зазорами между рядами выступов в тестовом элементе.
Наличие в тестовом элементе сформированных рядов проводящих шин покрытия позволяет производить оперативную визуальную оценку качества нанесения планаризирующего покрытия в части наличия пустот между шинами.
Если в минимальных зазорах образуются пустоты, то покрытие над этим участком тестового элемента будет в виде прямой линии или минимальным рельефом по сравнению с впадинами над участком, состоящим из зазоров с выступами увеличенными до двух толщин планаризирующего покрытия. Если снизить скорость нанесения планаризирующего покрытия до того уровня пока пустоты не ликвидируются, то визуально можно будет наблюдать впадины над всеми зазорами в тестовом элементе. Расстояние равное двум толщинам планаризирующего слоя изолирующего диэлектрика обусловлено тем, что это минимальное расстояние, при котором не должны образовываться полости и пустоты в рельефе тестового элемента вне зависимости от скорости нанесения планаризирующего покрытия.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами.
На фигуре 1 изображен разрез тестового элемента до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика.
На фигуре 2 (вид сверху) изображена конструкция предлагаемого тестового элемента.
На фигуре 3 изображен разрез тестового элемента после нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика с пустотами под планаризирующим покрытием.
На фигуре 4 показан разрез тестового элемента после нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика без пустот под планаризирующим покрытием.
Позициями на фигурах 1-4 обозначены:
1 - кремниевая подложка;
2 - слой оксида кремния;
3 - проводящая шина;
4 - слой планаризующего изолирующего диэлектрика;
5 - ряд выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором;
6 - ряд минимальных по размеру выступов с зазором равным удвоенной толщине планаризирующего слоя изолирующего диэлектрика;
7 - пустоты между проводящими шинами;
Предполагаемая модель состоит из кремниевой подложки 1 со слоем оксида кремния 2 на рабочей стороне, сформированного на ней рельефа из проводящих шин 3, состоящего из ряда выступов минимального по ширине размера, например, 3 мкм, расположенных с минимальным зазором 3 мкм 5, ряда минимальных по размеру выступов с зазором равным удвоенной толщине планаризирующего слоя изолирующего диэлектрика 6, возможные пустоты между проводящими шинами 7 из-за высокой скорости формирования планаризирующего покрытия.
Длина проводящих шин на тестовом элементе равна 1 мм и формируется магнетронным напылением. Исследуемый слой планаризующего изолирующего диэлектрика 4 наносится поверх проводящих шин. Толщина исследуемого планаризующего изолирующего диэлектрика должна быть не менее толщины металлизации, на которую он наносится, чтобы исключить пробой по границе края металлизации.
Указанный тестовый элемент можно изготовить следующим образом: на кремниевой подложке 1 ориентации (100) выращивают слой термического оксида кремния 2, толщиной 0,7 мкм; затем методом магнетронного напыления формируют проводящую шину из алюминия 3, толщиной 0,8 мкм, формируют методом фотолитографии требуемую конфигурацию металлизации. Далее наносят слой планаризующего изолирующего диэлектрика 4 на основе органических силикатов, например, фирмы Filmtronics 500F Spin-on Glass, толщиной 3 мкм (см. фиг. 3 и фиг. 4).
Для оценки качества планаризации визуально с помощью микроскопа оценивают поверхность тестового элемента после нанесения планаризирующего слоя изолирующего диэлектрика. При отсутствии рельефа над рядами выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором необходимо корректировать режимы планаризующего слоя.