МОЩНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МИКРОСХЕМА

Областью применения данной полезной модели является микроэлектроника, а именно - конструкции современных мощных полупроводниковых микросхем с применением силовой металлизации на основе меди.
Известна полупроводниковая микросхема, состоящая из полупроводниковой подложки, со сформированными в ней полупроводниковыми элементами, первым слоем тонкой металлизации на основе алюминия, диэлектрическим слоем с отверстием к первому слою металлизации и со сформированным поверх диэлектрического слоя методом электроосаждения вторым слоем толстой металлизации из меди (см, например, книгу Alan Hastings The Art of Analog layout, second edition, pp. 71-72). Толстая металлизация из меди позволяет существенно улучшить устойчивость металлизации к электромиграции, уменьшить электрическое сопротивление, повысить плотность тока металлизации и требует существенно меньшую площадь для размещения. Металлизация из меди соединена с первым слоем металлизации из алюминия через контактные окна в диэлектрическом слое с помощью адгезионного (например, титана) и затравочного слоя меди.
Известна мощная полупроводниковая микросхема, состоящая из полупроводниковой подложки со сформированным в ней мощным полупроводниковым прибором и схемой управления, первым слоем тонкой металлизации для подачи сигнала управления и коммутации, диэлектрическим слоем с отверстием к первому слою металлизации и со сформированным поверх диэлектрического слоя методом электроосаждения вторым слоем толстой металлизации из меди (см. статью Dr. Jae Song Thick copper paves way for high-current drive in high-voltage power ICs на ресурсе http://www.eetimes.corn/document.asp7doc_id=1278747).Учитывая то, что медь имеет неудовлетворительную адгезию к диэлектрическим покрытиям, металлизация из меди, полученная методом электроосаждения, представляет собой многослойную структуру: нижний слой - Ti, Та, Cr, W толщиной 10-15 нм, затравочный слой из меди толщиной 0,1-0,15 мкм и, собственно, слой меди толщиной обычно 5-25 мкм, полученный методом электроосаждения.
Основным недостатком данной микросхемы является то, что при нанесении методом электрохимического осаждения второго слоя металлизации из меди, на поверхности осажденной меди образуется микрорельеф над контактным окном. С увеличением толщины осажденной меди до половины ширины контактного окна края микрорельефа над контактным окном смыкаются и под сомкнутыми краями формируется полость в слое осажденной меди из-за неполного поступления раствора электролита под сомкнутые края. Так как после осаждения слоя металлизации из меди проводят отжиг (рекристаллизацию) медного покрытия, то размеры полостей внутри слоя металлизации из меди увеличиваются, что ухудшает качество металлизации. Кроме того, при нагреве и охлаждении во время работы микросхемы эти полости служат концентратами механических напряжений в межсоединениях между первым и вторым слоями металлизации, что приводит к трещинам в металлизации из меди и разрушению межсоединения, что снижает качество и надежность мощной микросхемы. Кроме того, так как в качестве мощного полупроводникового элемента обычно применяют латеральный МОП - транзистор изготовленный методом двойной диффузии (LD-MOS), то размеры контактов к ячейкам стока и истока этого транзистора для эффективного использования площади существенно уменьшаются, что усугубляет недостатки данного аналога.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической общности и достигаемому результату является мощная полупроводниковая микросхема, состоящая из полупроводниковой подложки, со сформированным в ней мощным полупроводниковым прибором и схемой управления, первым слоем тонкой металлизации из алюминия, диэлектрического покрытия с окнами к первому слою металлизации, второго слоя металлизации из алюминия и третьего слоя толстой металлизации из меди, состоящего из адгезионного, затравочного слоев и слоя меди, полученного методом электроосаждения, (см. патент US 6372586, класс H01L 21/331, H01L 21/8222, от 16.04.2002 г. ).
Недостатки предыдущего аналога в прототипе частично устранены, за счет введения второго слоя металлизации из алюминия, который позволяет объединить стоки и истоки нескольких ячеек в группы, что позволяет увеличить размер контактного окна к металлизации стоков и истоков LD-MOS транзистора. Однако, при формировании электрического контакта между адгезионным слоем и алюминием возникает ухудшение контактирования между этими слоями из-за наличия прочного непроводящего окисла алюминия, который имеет столбчатую структуру. Удовлетворительный контакт между адгезионным слоем и алюминием получается лишь при достаточно большой его площади. Кроме того, контакт между адгезионным слоем и алюминием происходит в «колодце» окна в диэлектрическом покрытии и наличие стенок диэлектрического покрытия ухудшает контакт из-за уменьшения толщины проводящих слоев и формирования пустот в окнах.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение качества и надежности мощных полупроводниковых микросхем за счет улучшения электрического контакта слоем металлизации из алюминия и третьим слоем металлизации из меди.
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известной мощной полупроводниковой микросхемы, состоящей из полупроводниковой подложки, со сформированным в ней мощным полупроводниковым прибором и схемой управления, первым слоем тонкой металлизации из алюминия, диэлектрического покрытия с окнами к первому слою металлизации, второго слоя металлизации из алюминия и третьего слоя толстой металлизации из меди, состоящего из адгезионного, затравочного слоев и слоя меди, полученного методом электроосаждения, в предлагаемой второй слой металлизации из алюминия выполнен в виде участков в области контактных окон к первому слою металлизации из алюминия с размерами равными максимальному размеру контактного окна + 6 ошибок совмещения второго слоя металлизации + 6 ошибок травления второго слоя металлизации, а третий слой металлизации из меди наносится непосредственно на второй слой металлизации из алюминия.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что второй слой металлизации из алюминия выполнен в виде участков в области контактных окон к первому слою металлизации из алюминия с размерами равными максимальному размеру контактного окна + 6 ошибок совмещения второго слоя металлизации + 6 ошибок травления второго слоя металлизации, а третий слой металлизации из меди наносится непосредственно на второй слой металлизации из алюминия, что исключает влияние размеров контактов к первому слою металлизации из алюминия и улучшает контактирование между адгезионным слоем и первым слоем металлизации из алюминия.
На участках второго слоя металлизации образуется рельеф в виде выступов из его границ и границ контактного окна к первому слою металлизации из алюминия. При нанесении адгезионного и затравочного слоев на границах возникают механические напряжения, которые удаляет окисел алюминия, что обеспечивает контакт.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена конструкция мощной полупроводниковой микросхемы, на фиг. 2-6 представлены этапы ее изготовления.
Позициями на фиг. 1-6 обозначены:
1 - кремниевая подложка;
2 - истоки и стоки латерального МОП - транзистора, изготовленного методом двойной диффузии;
3 - слой оксида кремния;
4 - первый слой металлизации из алюминия;
5 - диэлектрическое покрытие;
6 - второй слой металлизации из алюминия
7 - адгезионный и затравочный слои;
8 - третий слой металлизации из меди, полученный методом электроосаждения;
9 - контактное окно к первому слою металлизации из алюминия;
10 - негативный фоторезист.
На фиг. 1 приведен разрез предлагаемой мощной полупроводниковой микросхемы. Предлагаемую мощную полупроводниковую микросхему можно изготовить выполняя описанные ниже операции.
2
3
4
На кремниевую подложку 1 (см. фиг. 2) микросхемы с мощным полупроводниковым прибором (например, латеральным МОП - транзистором, изготовленным методом двойной диффузии 2) с диэлектрическим покрытием 3 (SiO, SiN) толщиной 0,4-1 мкм для формирования первого слоя металлизации из алюминия 4 напыляют слой алюминия толщиной 1 мкм, проводят фотолитографию этого слоя, затем формируют слой следующего диэлектрического покрытия 5 (например, низкотемпературное фосфорно-силикатное стекло толщиной 1-1,2 мкм). Далее методом фотолитографии формируют контактные окна 9 к первому слою металлизации 4.
Затем методом магнетронного распыления наносят второй слой металлизации из алюминия (см. фиг. 3). Далее проводят термообработку второго слоя металлизации при температуре 470°C в результате чего формируется омический контакт между первым слоем металлизации из алюминия 4 и вторым сплошным слоем металлизации из алюминия 6. Затем проводят фотолитографию, формируя рисунок второго слоя металлизации из алюминия 6. Второй слой металлизации из алюминия 6 выполнен в виде участков в области контактных окон 9 к первому слою металлизации из алюминия 4 с размерами равными сумме максимального размера контактного окна 9, шести ошибок совмещения второго слоя металлизации и шести ошибок травления второго слоя металлизации. Такие размеры участков второго слоя металлизации из алюминия позволяют формировать выступы металлизации из алюминия в районе контактных окон. При уменьшении размера появляется вероятность исчезновения выступа в районе контактных окон при совмещении или травлении второго слоя металлизации из алюминия.
Далее методом магнетронного распыления наносится адгезионный слой из титана толщиной 0,01 мкм и затравочный слой из меди толщиной 0,1 мкм (см. позицию 7 на фиг. 4). Для формирования третьего слоя металлизации из меди 8, наносится слой негативного фоторезиста 10, например, фоторезист AZnxt-15, толщиной, равной толщине металлизации из меди (например, 12 мкм) (см. фиг. 5). С помощью метода фотолитографии в фоторезисте 10 вскрывают окна для формирования третьего слоя металлизации из меди 8 и доступа к участкам второго слоя металлизации из алюминия 6 в области контактных окон 9 к первому слою металлизации 4. Так как используется негативный фоторезист, то при его обработке в стандартных режимах формируется окна, расширяющиеся к низу.
Перед нанесением третьего слоя толстой металлизации из меди затравочный слой 7 активируют в среде плазмы. Далее методом электрохимического осаждения формируют третий слой металлизации из меди 8 в следующих условиях:
2
- плотность тока 1 А/дм;
- температура 18…25°C (см. фиг. 6).
Далее жидкостным травлением удаляют негативный фоторезист 10, адгезионный и затравочный слои 7 из мест свободных от третьего слоя металлизации из меди 8. Затем проводят термообработку полученного слоя металлизации из меди 8 в условиях вакуума при температуре 450°C в течение 30 минут и получают готовую микросхему (см. фиг. 1).
Так как контактирование третьего слоя металлизации из меди через адгезионный и затравочный слои с первым слоем металлизации из алюминия происходит через второй слой металлизации из алюминия, выполненный в виде выступов, а не в контактном окне в диэлектрическом покрытии к первому слою металлизации из алюминия, как в прототипе, происходит повышение качества и надежности мощных полупроводниковых микросхем за счет улучшения электрического контакта между слоем металлизации из алюминия и третьим слоем металлизации из меди и исключения влияния размера контактного окна на качество электрического контакта между слоем металлизации из алюминия и третьим слоем металлизации из меди.
В 1-3 строках таблицы 1 отображены данные контакта между первым и третьим слоями металлизации в зависимости от размера контактного окна к первому слою металлизации из алюминия. Как видно из таблицы 1 контакт присутствует только на больших окнах. В 4-6 строках отражены данные контакта между первым и третьим слоями металлизации через участки второго слоя металлизации из алюминия, расположенные над контактными окнами к первому слою металлизации из алюминия. Размеры участков второго слоя металлизации из алюминия выполнены по предлагаемой полезной модели. В 7 строке отображены данные, когда размер участка второго слоя металлизации из алюминия меньше предложенного. Как видно из данных таблицы 1 контакт в этом случае не стабилен.