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, 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 барьерного (например, титана) и затравочного слоя меди.
Наиболее близкой к предлагаемой является 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.com/document.asp?doc_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.
2
3
2
3
Основным недостатком данной микросхемы является то, что при нанесении барьерных слоев Ti, Та, Cr они образуют плохой контакт со слоем из алюминия из-за наличия AlO на поверхности металлизации. Обычно AlO удаляют методом ионного распыления аргоном. Однако, при нанесении барьерных слоев Ti, Та, Cr, которые обладают значительным сродством к кислороду и, в результате, чего между слоем металлизации из алюминия и барьерным слоем образуется слабопроводящий окисный слой. Также Ti, Та, Cr практически не растворяются в алюминии в диапазоне температур до 600°С, что не позволяет улучшить качество контакта путем термообработки.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение качества и надежности мощных полупроводниковых микросхем за счет улучшения электрического контакта между слоем металлизации из алюминия и вторым 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, слоем тонкой металлизации из алюминия, диэлектрического покрытия с окнами к первому слою металлизации, второго слоя толстой металлизации из меди, полученного методом электроосаждения и состоящего из барьерного, затравочного слоев и слоя меди, в предлагаемой перед барьерным слоем сформирован буферный слой из алюминия толщиной до 0,05-0,5 мкм, причем первый слой металлизации из алюминия должен быть легирован кремнием с концентрацией 0,5-1% (вес).
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что перед барьерным слоем сформирован дополнительный буферный слой из алюминия толщиной до 0,05-0,5 мкм, причем первый слой металлизации из алюминия должен быть легирован кремнием с концентрацией 0,5-1% (вес). При нанесении буферного слоя из алюминия в момент осаждения этого слоя в окна диэлектрического покрытия происходит диффузия атомов кремния по границам зерен алюминия из первого слоя металлизации из алюминия в буферный слой. Из-за диффузии происходит диффузионная сварка и соединение первого слоя металлизации из алюминия с буферным слоем из алюминия, что гарантирует контакт.
Процентное содержание кремния 0,5-1% (вес.) выбрано исходя из предела растворимости кремния в алюминии при температурах 350-500°С. Диапазон выбранных температур автоматически обеспечивается при напылении буферного слоя из алюминия из-за отдачи теплоты конденсации буферного слоя из алюминия в кристалл микросхемы, а также при стандартной термообработке медной металлизации после электрохимического осаждения при температуре 450°С.
Увеличение процентного содержания кремния более 1% является избыточным.
Уменьшение процентного содержания кремния менее 0,5% приводит к увеличению сопротивления контакта между первым слоем металлизации из алюминия и буферным слоем из алюминия.
Минимальная толщина буферного слоя из алюминия составляет 0,05 мкм, что необходимо для получения воспроизводимости толщины алюминия и обеспечения достаточного для обеспечения контакта количества диффундирующего кремния, если он содержится в буферном слое из алюминия.
Максимальная толщина буферного слоя из алюминия составляет 0,5 мкм. Дальнейшее увеличение толщины нецелесообразно, так как при удалении затравочного и барьерного слоя после нанесения слоя меди, полученного методом электроосаждения, величина подтрава буферного слоя из алюминия увеличивается с увеличением толщины, что может привести к разрушению толстой металлизации из меди при механическом воздействии силы, параллельной плоскости пластины, например, при дальнейшей обработке пластин и сборке мощных полупроводниковых микросхем. При этом подтрав буферного слоя из алюминия играет роль концентратора механических напряжений.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой. На фиг. 1 приведена конструкция мощной полупроводниковой микросхемы.
Позициями на фиг. 1 обозначены: 1 - кремниевая подложка;
2 - истоки и стоки латерального МОП - транзистора, изготовленного методом двойной диффузии;
3 - слой оксида кремния;
4 - слой металлизации из алюминия;
5 - диэлектрическое покрытие;
6 - буферный слой из алюминия;
7 - барьерный слой, выполненный из титана;
8 - затравочный слой;
9 - слой металлизации из меди, полученный методом электроосаждения.
На фиг. 1 приведен разрез предлагаемой мощной полупроводниковой микросхемы, которую можно изготовить, выполняя описанные ниже операции.
2
3
4
На кремниевую подложку 1 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 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 к слою металлизации 4.
Далее методом магнетронного распыления в одном процессе последовательно наносится буферный слой из алюминия 6 толщиной 0,07 мкм, легированный кремнием с концентрацией 0,7% (вес), барьерный слой из титана 7 толщиной 10-20 нм и затравочный слой из меди 8 толщиной 0,1 мкм. Для формирования слоя металлизации из меди 9, наносится слой негативного фоторезиста, например, фоторезист AZnxt-15, толщиной, равной толщине металлизации из меди (например, 12 мкм). С помощью метода фотолитографии в фоторезисте вскрывают окна для формирования слоя металлизации из меди и доступа к участкам слоя металлизации из алюминия 4.
Перед нанесением слоя толстой металлизации из меди 9 затравочный слой 8 активируют в среде плазмы. Далее методом электрохимического осаждения формируют слой металлизации из меди 9 в следующих условиях:
2
- плотность тока 1 А/дм;
- температура 18…25°С.
Далее жидкостным травлением удаляют негативный фоторезист, буферный слой 6, барьерный слой 7 и затравочный слой 8 из мест свободных от слоя металлизации из меди 9. Затем проводят термообработку полученного слоя металлизации из меди 9 в условиях вакуума при температуре 450°С в течение 30 минут и получают готовую микросхему (см. фиг. 1).
В таблице 1 приведены результаты испытаний разработанной по данной полезной модели мощной полупроводниковой микросхемы. Оценка качества микросхемы проводилась по специальной тестовой цепочке. Тестовая цепочка состоит из последовательно соединенных через 118 окон в диэлектрическом покрытии 60 участков металлизации из алюминия и 59 участков металлизации из меди. Расчетное сопротивление тестовой цепочки составляет 9,2 Ом.
Анализ таблицы показывает, что использование заявляемых параметров буферного слоя из алюминия мощной полупроводниковой микросхемы позволяет улучшить электрический контакт между слоем металлизации из алюминия и вторым слоем металлизации из меди и повысить выход годных кристаллов.