ТЕСТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПЛАНАРИЗАЦИИ

Областью применения предполагаемой 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, и планаризующий слой изолирующего диэлектрика (см., например, статья «LPCVD of borophosphosilicate glass from organic reactants» Williams D.A.S., Dein E.A. в журнале «The Electrochemical Society)), 1987 г., том 134, №3, стр. 657-664).
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 недостаточная достоверность контроля, так как в реальных интегральных схемах встречаются участки с металлическими шинами минимальной ширины и отсутствием рядом с этими шинами других шин металлизации. Толщина планаризующего изолирующего диэлектрика на таких участках уменьшится, что приведет к уменьшению напряжение пробоя в этих местах.
Результатом предполагаемой полезной модели является улучшение точности контроля.
Указанный результат достигается тем, что в отличие от известных тестовых элементов, в предлагаемом тестовом элементе для оперативного контроля качества планаризации, содержащем полупроводниковую пластину, сформированный на ней рельеф из проводящих шин, состоящий из ряда выступов минимального по ширине размера, расположенных с минимальным зазором, и планаризующий слой изолирующего диэлектрика, в тестовом элементе дополнительно сформированы ряд выступов минимального по ширине размера с увеличенным зазором и ряд увеличенных по ширине выступов с минимальным зазором, причем увеличение ширины выступов и увеличение ширины зазора К выбирают из формулы: 10а≤К≤15а, где а - минимальная ширина выступа или соответственно минимальная ширина зазора.
Наличие в тестовом элементе двух дополнительно сформированных рядов выступов позволяет производить оперативную оценку изменения толщины планаризующего слоя изолирующего диэлектрика в случае наличия участков с металлическими шинами минимальной ширины и отсутствием рядом с этими шинами других шин металлизации, а также в случаях наличия участков с широкими металлическими шинами, расположенными с минимальным зазором. Результаты измерений позволят выбирать режимы планаризации, при которых возникает минимальный перепад высот по всей поверхности кристалла.
При значениях К≥10а влияние ширины зазора на толщину планаризующего изолирующего диэлектрика не сказывается, а К≤15а выбрано для того, чтобы сэкономить площадь, занимаемую тестовым элементом.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 изображен разрез тестового элемента до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика, а конструкция предлагаемого тестового элемента изображена на фиг. 2 (вид сверху). На фиг. 3 изображен разрез тестового элемента после нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика, на фиг. 4 - после отжига планаризующего слоя изолирующего диэлектрика. На фиг. 5 изображен профиль тестового элемента до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика, а на фиг. 6 - после.
Позициями на фиг. 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 выступов минимального по ширине размера с увеличенным зазором;
7 - ряд выступов, увеличенных по ширине, с минимальным зазором.
Предлагаемая 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 5 минимального по ширине размера, например, 4 мкм, расположенных с минимальным зазором 3 мкм, ряда выступов 6 минимального по ширине размера с увеличенным зазором до 30 мкм и ряда выступов 7, увеличенных по ширине до 40 мкм, с минимальным зазором (см. фиг. 2). Длина проводящих шин равна 0,7 мм для простоты попадания измерительной головки профилометра на тестовый элемент. 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 монокристаллической подложке 1 ориентации (100) выращивают слой термического оксида кремния 2, толщиной 0,6 мкм; затем методом магнетронного напыления наносят слой алюминия, толщиной 0,7 мкм, формируют методом фотолитографии требуемую конфигурацию токопроводящих шин 3; далее наносят слой планаризующего диэлектрика на основе органических силикатов 4, например, фирмы Filmtronics 500F Spin-on Glass, толщиной 0,9 мкм (см. фиг. 3); затем его сушат при температуре 420°C (см. фиг. 4).
Для оценки качества планаризации с помощью профилометра по поверхности тестового элемента снимают профилограмму до нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика (см. фиг. 5) и после его нанесения (см. фиг. 6). Сравнивая полученные профилограммы, проводят оценку качества равномерности нанесения планаризующего слоя изолирующего диэлектрика и при необходимости корректируют режимы его нанесения.