МОЩНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ МИКРОСХЕМА

Областью применения данной полезной модели является микроэлектроника, а именно - конструкции современных мощных полупроводниковых микросхем с применением силовой металлизации на основе меди.
В производстве мощных полупроводниковых приборов в качестве проводников в многоуровневых межсоединениях используются два типа материала: алюминий и медь. Однако в настоящее время все чаще применяется медь.
По сравнению с алюминием удельное сопротивление меди ниже - 1,7 мкОм·см, даже при осаждении в узкие канавки против 2,8 мкОм·см у алюминия. Так, при той же величине сопротивления, что у алюминиевой металлизации, ширина и толщина которой ограничена разрешающей способностью фотолитографии, ширина и толщина медных шин может быть существенно меньше. Второе преимущество меди - высокая устойчивость к электромиграции, одной из самых серьезных проблем алюминиевой металлизации. Как показали испытания фирмы IBM, стойкость медных межсоединений к электромиграции и миграции носителей под воздействием механических напряжений на два порядка выше, чем у алюминиевых. Это значит, что медь способна выдерживать высокую плотность мощности.
Поэтому, в настоящее время, перспективным является переход на металлизацию из меди. Как правило, металлизацию из меди используют в цепях микросхемы, где протекают повышенные токи: это цепи эмиттера, коллектора, истока, стока мощных транзисторов и цепи питания.
Существует несколько типов металлизации эмиттера (истока) в мощных полупроводниковых микросхемах:
- типа «елка» (The Christmas - Tree device);
- крестообразная (The Cruciform - Emitter transistor);
- пальцевидного типа («Fingers»). (см, например, книгу Alan Hastings The Art of Analog layout, second edition, pp. 373-374).
Известна мощная полупроводниковая микросхема, состоящая из полупроводниковой подложки с мощным полупроводниковым прибором, схемой управления и двумя слоями металлизации, первый слой которой образует межсоединения в схеме управления, собирающие ток из рабочих элементов конструкции мощного полупроводникового прибора, и второй слой металлизации из меди, полученный методом электрохимического осаждения, в виде шин, соединяющих разводку силовых электродов с контактными площадками (см. статью Dr. Jae Song Thick copper paves way for high-current drive in high-voltage power ICs на ресурсе http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278747).
Первый слой металлизации выполнен из алюминия, толщиной около 1 мкм, и используется для всех межсоединений в схеме управления и для разводки силовых электродов мощного полупроводникового прибора, собирающих ток из мелких по размерам рабочих элементов конструкции мощного полупроводникового прибора. Первый слой металлизации покрыт межслойным изолирующим диэлектриком с контактными отверстиями к первому слою металлизации. Второй слой металлизации получен электрохимическим осаждением слоя меди на адгезионный слой (например, титан) толщиной около 0,01 мкм и затравочный слой из меди толщиной около 0,1 мкм. Толщина второго слоя металлизации составляет от 5 до 25 мкм. Топология второго слоя металлизации формируется путем нанесения маскирующего слоя фоторезиста, толщиной не менее толщины второго слоя металлизации. Второй слой металлизации из меди, служит для формирования шин, соединяющих разводку силовых электродов мощного полупроводникового прибора с контактными площадками.
Существенным недостатком данного аналога является отслоение металлизации из меди на ее протяженных участках.
cu
Ti
SiO2
-6
-1
-6
-1
-6
-1
В мощных полупроводниковых микросхемах ширина шин металлизации из меди составляет до 300-400 мкм, длина - 2000 мкм и более. Толщина металлизации из меди составляет 5-25 мкм, что существенно превышает толщины нижележащих слоев: адгезионного слоя и межслойного диэлектрика. Также линейный коэффициент термического расширения меди (α=16,6·10 С) существенно превышает линейные коэффициенты термического расширения нижележащих слоев (α=8,6·10 С, α=0,5·10 С). Совокупность этих причин приводит к возникновению механических напряжений в слое металлизации из меди при термообработках в процессе изготовления, и, как следствие, к отслоению металлизации из меди на ее протяженных участках.
Наиболее близким к предлагаемой микросхеме является мощная полупроводниковая микросхема, состоящая из полупроводниковой подложки с мощным полупроводниковым прибором и верхним слоем металлизации из толстого слоя меди, сформированного методом электроосаждения, образующего контактные площадки к мощному полупроводниковому прибору, а также разводку силовых электродов мощного полупроводникового прибора в виде шин, собирающих ток, и шин, соединяющих разводку силовых электродов с контактными площадками, описанная в патента США №6372589 В1, cl. H01L 21/331, H01L 21/8222, от 16.04.2002 г.
Но и в этом случае наблюдается отслоение металлизации из меди на ее протяженных участках.
Техническим результатом данной полезной модели является исключение отслаивания металлизации из меди от нижележащих слоев.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой мощной полупроводниковой микросхеме, состоящей из полупроводниковой подложки с мощным полупроводниковым прибором и верхним слоем металлизации из толстого слоя меди, сформированного методом электроосаждения, образующего контактные площадки к мощному полупроводниковому прибору, разводку силовых электродов мощного полупроводникового прибора в виде шин, собирающих ток, и шин, соединяющих разводку силовых электродов с контактными площадками, в слое металлизации из меди, а именно, в разводке силовых электродов и шинах, соединяющих разводку силовых электродов с контактными площадками, выполнены прямоугольные отверстия, сориентированные вдоль длинной оси участков шин шириной 2-2,5 толщины металлизации из меди и длиной 5-7 толщин металлизации из меди, причем расстояние между отверстиями и отверстиями и краем металлизации из меди не превышает 20 толщин металлизации.
Как показали наблюдения, при наличии прямоугольных отверстий, сориентированных вдоль длинной оси участков шин, не происходит отслаивания шин, так как механические напряжения, возникающие в слое металлизации из меди при термообработках в процессе изготовления релаксируют на отверстиях.
Ширина отверстий составляет 2-2,5 толщины металлизации из меди, длина - 5-7 толщин металлизации из меди. Уменьшение указанных размеров приведет к сращиванию отверстий, формированию выступов в покрытии меди в местах отверстий, которые могут отслоиться при работе микросхемы; увеличение указанных размеров отверстий может привести к ухудшению нагрузочной способности шины по току.
Расстояние между отверстиями и отверстиями и краем металлизации из меди не превышает 20 толщин металлизации, что установлено экспериментальным путем. При увеличении расстояний наблюдается вспучивание покрытий по центру шин.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой 1.
На фиг. 1 приведена топология предлагаемой мощной полупроводниковой микросхемы.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
1 - мощный полупроводниковый прибор;
2 - металлизация из алюминия;
3 - контактные площадки и окна к первому слою металлизации из алюминия;
4 - металлизация из меди истока;
5 - металлизация из меди стока;
6 - прямоугольные отверстия, сориентированные вдоль длинной оси участков шин;
7 - прямоугольные отверстия, сориентированные вдоль линий тока;
8 - участок с условно снятой металлизацией из меди;
9 - длинная ось участков шин
10 - схема управления, металлизация которой выполнена без применения меди.
2
3
4
На кремниевую подложку микросхемы с мощным полупроводниковым прибором 1 (например, биполярным или МОП-транзистором) с диэлектрическим покрытием (SiO, SiN) толщиной 0,2-1 мкм для формирования первого слоя металлизации из алюминия 2 напыляют слой алюминия толщиной 1 мкм, проводят фотолитографию этого слоя, затем формируют слой следующего диэлектрического покрытия (например, низкотемпературное фосфорно-силикатное стекло толщиной 1-1,5 мкм). Далее методом фотолитографии формируют контактные площадки и окна 3 к первому слою металлизации из алюминия 2. Затем методом электронно-лучевого испарения наносят адгезионный слой из титана толщиной 0,01 мкм и затравочный слой из меди толщиной 0,1 мкм. Для формирования второго слоя металлизации из меди толщиной 9 мкм, наносится слой негативного фоторезиста AZnxt-15, толщиной, равной толщине металлизации из меди (например, 12 мкм). С помощью метода фотолитографии в фоторезисте вскрывают окна для формирования второго слоя металлизации истока 4 и стока 5 мощного полупроводникового прибора 1 и доступа к окнам 3 первого слоя металлизации, причем места нахождения прямоугольных отверстий 6 и 7, сориентированных вдоль длинной оси участков шин 9 шириной 2-2,5 толщины металлизации из меди и длиной 5-7 толщин металлизации из меди, причем расстояние между отверстиями и отверстиями и краем металлизации из меди не превышает 20 толщин металлизации, также маскируются фоторезистом. Перед нанесением второго слоя толстой металлизации из меди затравочный слой активируют в среде плазмы. Далее методом электрохимического осаждения формируют слой металлизации из меди в следующих условиях:
2
- плотность тока 1 А/дм;
- температура 18…25°C.
Далее специальным раствором (снимателем) или кислородосодержащей плазмой удаляют фоторезист, а жидкостным травлением в растворе соляной кислоты, аммиака и перекиси водорода удаляют затравочный и барьерный слои из мест свободных от второго слоя металлизации из меди. Затем проводят термообработку полученного слоя меди в условиях вакуума при температуре 450°C в течении 30 минут. Так как края микрорельефа в металлизации из меди над контактными окнами не смыкаются, то образование полостей не происходит, что приводит к повышению качества и надежности мощных полупроводниковых микросхем.
В таблице 1 приведены результаты опробования предлагаемой мощной полупроводниковой микросхемы с различными параметрами отверстий при ширине шин 500 мкм и длине 1300-1500 мкм. Из таблицы видно, что при формировании толстых шин без отверстий наблюдается отслоение металлизации из меди от подложки, а при меньших ширине и длине отверстий наблюдается смыкание краев металлизации в районе отверстий и формирование тонких выступов, которые могут отделить от металлизации при воздействии перепадов температур (-60-(+125)°C).