ТЕСТОВАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ДВУХУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ

Областью применения предлагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно - устройство для контроля качества двухуровневой металлизации, верхний слой которой наносится электрохимическим методом, при производстве мощных интегральных схем и полупроводниковых приборов.
Известна тестовая ячейка для контроля качества контакта между двумя проводящими слоями, включающая в себя участок первого проводящего слоя с двумя контактными площадками, диэлектрический слой, изолирующий первый проводящий слой, с контактным окном к участку первого проводящего слоя, второй проводящий слой, покрывающий участок с контактным окном первого проводящего слоя, и с двумя контактными площадками (см., например, статья «А Study of Cross-Bridge Kelvin Resistor Structures for Reliable Measurement of Low Contact Resistances)) N. Stavitski в сборнике статей «IEEE Conference on Microelectronic Test Structures)), стр. 199, 2008 г.).
Недостатком данной тестовой ячейки является то, что в большинстве случаев сопротивление контакта между двумя проводящими слоями мало, особенно, если первый и второй проводящие слои являются металлическими. В таком случае точность измерения сопротивления контакта не велика.
Этот недостаток частично решен в тестовой ячейке для контроля качества двухуровневой металлизации, включающей в себя резистивные элементы из первого уровня металлизации, диэлектрический слой, изолирующий первый уровень металлизации, с контактными окнами к резистивным элементам первого уровня металлизации, перемычки между резистивными элементами первого уровня металлизации, состоящие из второго слоя металлизации, и контактные площадки (см., например, статья “Integrated circuit process and design rule evaluation techniques” A.C. Ipri and J.C. Sarace в журнале RCA Rev., том 38, №3, стр. 323-350, сентябрь 1977 г.).
Количество последовательно включенных резистивных элементов в первом уровне металлизации колеблется от 60 до нескольких сотен штук, что позволяет повысить точность измерения.
Недостатком данной тестовой ячейки является то, что она не позволяет оперативно и эффективно обнаружить дефекты контактирования в случае, если второй уровень металлизации многослойный, например, на основе меди.
Многослойная металлизация применяется при формировании второго уровня металлизации электрохимическим методом на основе меди для мощных силовых интегральных схем и полупроводниковых приборов. При изготовлении второго уровня металлизации электрохимическим методом на основе меди применяют ряд вспомогательных слоев. Адгезионно-барьерный слой толщиной 10-20 нм на основе титана, хрома, тантала или их соединений наносится сплошным слоем по всей поверхности пластины. Затем наносится сплошной затравочный слой меди, толщиной 50-100 нм, который служит в качестве проводника для осаждения основной меди. Далее локально формируют защитную маску и в незащищенные места электрохимическим методом осаждают медь (см. например, статья «Thick copper paves way for high-current drive in high-voltage power ICs» Dr. Jae Song в интеренет-журнале «ЕЕ Times Power Management Designline» 29 апреля 2011 г.).
После удаления локальной маски, адгезионно-барьерный и затравочный слои удаляют травителями, а в качестве маски используют осажденный электрохимическим методом слой меди. Осаждение основного слоя меди и удаление адгезионно-барьерного и затравочного слоев занимают более 2-3 часов. Затем проводят термообработку полученной двухуровневой металлизации в течение часа и контроль ее качества.
Недостатком данного метода является слабая оперативность контроля качества, так как нарушение контактов может случиться между первым уровнем металлизации и двумя вспомогательными слоями. А известный тестовый элемент не позволяет заранее выявить наличие контакта между первым уровнем металлизации и адгезионно-барьерным и затравочным слоями.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение оперативности и точности контроля.
Указанная цель достигается тем, что, в отличие от известных тестовых ячеек, в предлагаемой тестовой ячейке для контроля качества двухуровневой металлизации, верхний уровень которой наносится электрохимическим методом, включающей в себя резистивные элементы из первого уровня металлизации, диэлектрический слой, изолирующий первый уровень металлизации, с контактными окнами к резистивным элементам первого уровня металлизации, перемычки между резистивными элементами первого уровня металлизации, состоящие из адгезионно-барьерного слоя, затравочного слоя и второго слоя металлизации, и контактные площадки, содержится первый дополнительный тестовый элемент, перемычки между резистивными элементами первого уровня металлизации и контактные площадки которого выполнены дополнительно в адгезионно-барьерном и затравочном слоях, и второй дополнительный тестовый элемент в виде проводящей змейки с контактными площадками, выполненной в адгезионно-барьерном и затравочном слоях второго уровня металлизации и проходящей по рельефу максимальной высоты, образованному первым уровнем металлизации и контактными окнами в диэлектрическом слое.
Первый дополнительный тестовый элемент сформирован в адгезионно-барьерном и затравочном слоях, это позволяет оперативно проверить наличие контакта между первым уровнем металлизации и адгезионно-барьерным и затравочным слоями до нанесения верхнего уровня электрохимическим методом.
Второй дополнительный тестовый элемент позволяет определять целостность адгезионно-барьерного и затравочного слоев при прохождении через рельеф на рабочей стороне пластины, в том числе и в контактных окнах к первому уровню металлизации. Отсутствие обрывов адгезионно-барьерного и затравочного слоев позволяет получать одинаковые толщины и высокое качество второго уровня металлизации, нанесенного электрохимическим методом.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. Конструкция предлагаемого первого дополнительного тестового элемента изображена на фиг. 1 (вид сверху) и фиг. 2 (разрез). Конструкция предлагаемого второго дополнительного тестового элемента изображена на фиг. 3 (вид сверху) и фиг. 4 (разрез). На фиг. 5-9 изображена последовательность изготовления предлагаемой тестовой ячейки (слева) и стандартной тестовой ячейки по прототипу (справа).
Позициями на фиг. 1-9 обозначены:
1 - кремниевая подложка;
2 - слой диэлектрика;
3 - первый уровень металлизации
4 - слой диэлектрика;
5 - адгезионно-барьерный слой;
6 - затравочный слой;
7 - слой фоторезиста;
8 - слой основной металлизации, осажденной электрохимическим методом.
Указанную тестовую ячейку можно изготовить следующим образом: на кремниевой монокристаллической подложке 1 ориентации (100) выращивают слой термического оксида кремния 2, толщиной 0,6 мкм; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия 3, толщиной 1 мкм, формируют методом фотолитографии первый уровень металлизации; далее наращивают слой оксида кремния 4, полученный в плазме при пониженном давлении, толщиной 0,6 мкм, и вытравливают отверстия для контактных окон ко второму уровню металлизации (см. фиг. 5); затем последовательно проводят зачистку контактных окон от окисла ионами аргона или ксенона, и наносят методом магнетронного напыления слой титана 5, толщиной 0,02 мкм, и слой меди 6, толщиной 0,1 мкм; формируют методом фотолитографии металлизацию первого и второго дополнительных тестовых элементов, по рабочим и стандартным тестовым элементам по прототипу фотолитографию не проводят (см. фиг. 6); затем замеряют сопротивление на первом дополнительном тестовом элементе (при хорошем контакте между первым уровнем металлизации и адгезионно-барьерным и затравочным слоями это сопротивление составляет десятки Ом), если сопротивление значительно превышает расчетное значение, то на втором дополнительном тестовом элементе проверяют наличие обрывов, если обрывов нет, то контакт между первым уровнем металлизации и адгезионно-барьерным и затравочным слоями отсутствует, и необходимо откорректировать режимы зачистки аргоном контактных окон и провести реставрацию пластин (удалить затравочный и адгезионно-барьерный слой и провести повторное их нанесение с откорректированными режимами зачистки), а если на втором дополнительном тестовом элементе есть обрывы, то необходимо откорректировать режимы нанесения адгезионно-барьерного и затравочного слоев; затем наносят слой фоторезиста 7 и формируют в нем окна в местах осаждения основной меди (см. фиг. 7); далее электрохимическим методом осаждают основную медь 8; снимают фоторезист 7 (см. фиг. 8); травителями удаляют адгезионно-барьерный слой титана 5 и затравочный слой меди 6 (см. фиг. 9); далее проводят отжиг нанесенных слоев при температуре 450°C в нейтральной среде.
Тестовая ячейка располагается в определенных местах пластины таким образом, чтобы она не прерывала адгезионно-барьерные и затравочные слои в местах расположения рабочих структур и по периметру пластины в местах, где располагается контакт для электрохимического нанесения второго уровня металлизации.
Хотя изготовление тестовой ячейки более трудоемко из-за наличия дополнительной фотолитографии, она позволяет своевременно обнаруживать дефекты и корректировать режимы формирования многослойной металлизации второго уровня.