СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ С ПОРИСТЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ В ЗАЗОРАХ МЕЖДУ ПРОВОДНИКАМИ
METHOD OF MAKING MULTILEVEL METALLISATION OF INTEGRATED MICROCIRCUITS WITH POROUS DIELECTRIC LAYER IN GAPS BETWEEN CONDUCTORS

Область техники.
Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к технологии формирования многоуровневых межсоединений полупроводниковых интегральных микросхем.
Уровень техники.
Скорость распространения сигналов в микросхемах зависит от задержек в межсоединениях, пропорциональных, при прочих равных условиях, величине электрического сопротивления (R) и емкости (С) межсоединений. Задача уменьшения сопротивления и емкости межсоединений становится актуальной с субмикронных размеров элементов.
v
Величина R пропорциональна удельному сопротивлению материала проводников ρ, а величина С пропорциональна эффективному значению относительной диэлектрической проницаемости межпроводниковой изоляции Кэфф
v
v
Для снижения R взамен технологии на основе алюминия создана технология медной металлизации. Это позволяет уменьшить время распространения сигналов примерно в полтора раза. Удельное сопротивление сплавов алюминия ρ Al составляет порядка 3 мкОм·см, а удельное сопротивление меди ρ Сu порядка 2 мкОм·см.
Для снижения С используют специальные методы формирования межпроводниковой изоляции, например процесс формирования фторированного диоксида кремния с Кэфф порядка 3,6, что позволяет уменьшить диэлектрическую проницаемость по сравнению с типовым процессом осаждения диоксида кремния в газовой фазе с плазменной активацией, Кэфф порядка 4, примерно на 10%. Известны процессы формирования диэлектрических материалов с более низким значениями Кэфф от 2,7 до 3 и ультранизкой диэлектрической проницаемостью Кэфф порядка 2,2 (Электронная промышленность. Российское агентство по системам управления. №4, 2004 г. Изолирующие слои многоуровневой разводки интегральных схем с низкой диэлектрической проницаемостью. В.А.Васильев и др.). Встраивание таких материалов в технологию требует применения специальных способов формирования межсоединений. Введение в межсоединения диэлектрических слоев с ультранизкой диэлектрической проницаемостью позволяет получить эффект, аналогичный замене проводников на основе Аl на проводники на основе Сu без существенных затрат на модернизацию линий производства интегральных микросхем.
Известен типовой, применяемый в производстве микросхем с проектными нормами 0,18 мкм, способ изготовления межсоединений, не предусматривающий специальных мер по уменьшению Кэфф (Samit S. Sengupta; Subhas Bothra, «Integration of a W-plug in an Al-based metallization scheme for 0.25-µm IC technology», Multilevel Interconnect Technology II, Mart Graef; Divyesh N. Patel, Editors, pp.110-121, 4 September 1998). Способ включает нанесение слоя Аl с добавками 0,5% Сu и 1% Si, локальное травление слоя Аl, в результате чего формируются горизонтальные, относительно подложки, проводники, нанесение диэлектрического слоя из газовой фазы, сначала в высокоплотной плазме с обратным травлением осаждаемой пленки, с заполнением зазоров между проводниками, а затем методом конформного осаждения, сглаживание поверхности методом химико-механической полировки (ХМП), локальное травление межуровневых отверстий в диэлектрическом слое, нанесение слоя Ti и TiN, конформное нанесение из газовой фазы слоя W с заполнением отверстий, удаление слоев W, TiN и Ti с поверхности диэлектрического слоя методом ХМП, в результате чего формируются межуровневые вертикальные относительно подложки проводники. Затем цикл формирования проводников и межпроводниковой изоляции повторяется. Недостатком способа является высокий уровень задержки сигналов в проводниках вследствие высокого значения Кэфф межпроводниковой изоляции.
Известен способ изготовления многоуровневых межсоединений (патент США №5,457,073, H01L 21/469, 10.10.1995), включающий формирование проводников первого уровня путем нанесения на полупроводниковую подложку с активными структурами первого проводящего слоя и его локального травления, низкотемпературное нанесение первого слоя диоксида кремния из газовой фазы, формирование планаризующего диэлектрического слоя методом химического нанесения из раствора - метод Spin-On-Glass, низкотемпературное нанесение из газовой фазы второго слоя диоксида кремния, локальное травление межуровневых отверстий в диэлектрических слоях до нижележащих проводников, формирование проводников верхнего уровня путем нанесения и локального травления проводящего слоя. Способ обеспечивает получение сглаженной поверхности диэлектрического слоя, покрывающего рельефную структуру, но не обеспечивает глобальной планаризации, достигаемой, например, ХМП, что снижает выход годных изделий, особенно при увеличении числа проводящих уровней. Другим недостатком способа является снижение плотности компоновки межсоединений вследствие необходимости введения гарантированного зазора между краем проводников и краем отверстий для недопущения выхода отверстий за пределы нижележащих проводников, вследствие рассовмещения слоев при формировании маски под локальное травление отверстий. Выход отверстий за проводники приводит к формированию в диэлектрике по краю проводников щелей, являющихся источником дефектов, что снижает выход годных изделий и их надежность. Другим недостатком является ограничение технологических возможностей изготовления изделий. Например, ограничено применение пористого планаризующего слоя с ультранизкой диэлектрической проницаемостью, покрываемого, как правило, плотным диэлектриком, так как после травления отверстий пористый слой выступает по краям отверстий. Выступающий пористый слой имеет полые каналы, насыщаемые загрязнениями при проведении последующих операций, например при удалении фоторезиста, ХМП, обработке в жидких средах, что препятствует формированию надежных межуровневых контактов и может привести к утечкам тока между близкорасположенными проводниками.
Известен способ формирования межсоединений интегральных микросхем (патент США №6,281,585 В1, H01L 23/48, 28.08.2001), который включает формирование горизонтальных проводников с выступающими над ними вертикальными проводниками, нанесение диэлектрика неконформным методом с формированием воздушных зазоров, ХМП поверхности до вскрытия вертикальных проводников. Способ не содержит операции локального травления отверстий в диэлектрическом слое до нижележащих проводников, вследствие чего отсутствует возможность формирования дефектов, возникающих при травлении пористого диэлектрика, ввиду его отсутствия, а также дефектов типа щелей из-за выхода отверстий за проводники. Однако процесс формирования вертикальных проводников, выступающих над горизонтальными проводниками, требует применения стопорных слоев и процесса селективного травления вертикальных проводников до горизонтальных проводников. Кроме того, с уменьшением размеров проводников проблемы применения данного способы возрастают. Это ограничивает технологические возможности реализации способа вообще, а в части применяемых материалов проводников в частности. Кроме того, вертикальные проводники, представляющие собой столбики относительно малого сечения, выступающие над горизонтальными проводниками, могут подвергаться деформациям при обработках до нанесения скрепляющего их диэлектрика, что снижает надежность и выход годных изделий.
Известен способ изготовления многоуровневых межсоединений с воздушными зазорами (патент США №5,461,003, H01L 23/522, 24.10.1995), включающий формирование на полупроводниковой подложке горизонтальных проводников, путем нанесения проводящего слоя и его локального травления, заполнение пространства между проводниками твердым жертвенным слоем, путем нанесения жертвенного слоя и его обратного травления до удаления его части, расположенной на поверхности проводников, нанесение пористого диэлектрического слоя, удаление жертвенного слоя через поры диэлектрического слоя, в результате чего в пространстве между проводниками формируются воздушные зазоры с относительной диэлектрической проницаемостью, близкой к единице. Затем следует нанесение непористого диэлектрического слоя. Последующие этапы включают формирование вертикальных проводников - межуровневых контактов, путем локального травления отверстий в непористом и пористом диэлектрических слоях до горизонтальных проводников и заполнение отверстий проводящим материалом путем нанесения проводящего слоя и ХМП. Недостатком способа является пониженная механическая прочность структур, из-за наличия воздушных зазоров больших объемов. Это ухудшает эксплуатационные свойства изделий и ограничиваются технологические возможности изготовления изделий, в частности ограничиваются возможности применения процессов ХМП. Недостатком является ограничение технологических возможностей в части применения материалов и процессов, которые должны обеспечивать эффективное удаление жертвенного слоя и не допускать загрязнения воздушных зазоров и пористой пленки. Например, ограничено применение жидких органических растворителей для удаления полимерных остатков после плазмохимического травления межуровневых отверстий. Недостатком способа является необходимость травления пористого слоя при формировании отверстий под вертикальные проводники, обнаженные торцы которого, в частности, будут адсорбировать загрязнения. Способ не решает проблемы возможного выхода отверстий под вертикальные проводники за пределы горизонтальных проводников, что снижает плотность компоновки элементов и выход годных изделий.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления межсоединений интегральных микросхем (патент США №6,159,842, H01L 21/00, от 12.12.2000). Способ выбран в качестве прототипа и включает следующие операции:
- нанесение проводящего слоя, например, на основе сплава AlCu с подслоем Ti-TiN на полупроводниковую подложку с активными и пассивными элементами, покрытыми диэлектрическим слоем, например слоем борофосфоросиликатного стекла с контактными отверстиями, заполненными W;
- локальное травление проводящего слоя, например, в хлорсодержащей плазме с использованием техники фотолитографического маскирования, в результате чего формируются горизонтальные проводники нижнего уровня;
- нанесение защитного диэлектрического слоя, например, легированного фтором диоксида кремния с низкий диэлектрической проницаемостью Кэфф от 3,5 до 3,6 и толщиной от 0,03 до 0,2 мкм методом газофазного осаждения;
- формирование пористого планаризующего диэлектрического слоя с ультранизкой диэлектрической проницаемостью с заполнением промежутков между горизонтальными проводниками методом химического нанесения из раствора, включающим нанесение слоя центрифугированием и отжиг;
- обратное плазмохимическое травление или ХМП пористого диэлектрического слоя для его удаления с поверхности первого плотного диэлектрического слоя над горизонтальными проводниками;
- плазменную обработку поверхности пористого слоя, например, в среде аргона или азота, до образования на его поверхности плотного поверхностного слоя;
- нанесение межуровневого диэлектрического слоя, например легированного фтором диоксида кремния с низкой диэлектрической проницаемостью;
- формирование маски и локальное плазменное травление межуровневых отверстий в диэлектрических слоях до горизонтальных проводников, удаление маски;
- формирование межуровневых вертикальных проводников путем газофазного осаждения W, например, с адгезионным слоем Ti и барьерным слоем TiN и удаления с поверхности межуровневого диэлектрического слоя методом ХМП;
- повторение цикла формирования горизонтальных проводников, покрывающих их диэлектрических слоев и вертикальных проводников до получения заданного числа проводящих уровней;
- формирование проводников верхнего уровня путем нанесения проводящего слоя и его локального травления, формирование пассивирующего диэлектрического слоя с окнами к площадкам для присоединения выводов при сборке микросхем.
При изготовлении многоуровневых межсоединений по способу, выбранному в качестве прототипа, смежные проводники одного уровня разделены комбинированным диэлектриком, состоящим из относительно тонкого защитного диэлектрического слоя с низкой диэлектрической проницаемостью и пористого слоя с ультранизкой диэлектрической проницаемостью. Защитный диэлектрической слой предохраняет проводники от взаимодействия с материалами, используемыми при формировании пористого слоя. Пористый слой обеспечивает снижение емкости между смежными проводниками и повышает быстродействие изделия. Формирование на пористом слое плотного поверхностного слоя путем плазменной обработки обеспечивает стабилизацию свойств пористого слоя, предохраняет его от воздействий внешней среды и обеспечивает воспроизводимость свойств поверхности перед нанесением межуровневого диэлектрического слоя, что повышает его качество.
При формировании структур по прототипу не исключены негативные последствия при выходе межуровневых отверстий за пределы горизонтальных проводников нижнего уровня вследствие рассовмещения слоев при формировании маски под локальное травление отверстий. При этом произойдет врезание отверстий в пористый диэлектрический слой, с образованием по краю проводников щелей и пустот. Такие дефекты усложняют процессы формирования вертикальных проводников, снижают выход годных и надежность изделий. Кроме того, обнаженный пористый слой насыщается трудно удаляемыми загрязнениями, например при проведении операции удаления фоторезистивной маски или отмывки структур перед формированием вертикальных проводников, что ограничивает технологические возможности обработки и снижает надежность изделий. При нанесении адгезионного и барьерного слоев в обнаженные поры могут диффундировать атомы материалов этих слоев, что приводит к утечкам между проводниками.
Выход межуровневых отверстий за пределы проводников может быть исключен путем введения гарантированного зазора между краем проводников и краем отверстий, однако это увеличивает размеры и снижает плотность компоновки элементов микросхем, что ухудшает их технико-экономические показатели.
При использовании обратного плазмохимического стравливания пористого слоя с поверхности над проводниками верхний уровень пористого слоя между смежными горизонтальными проводниками будет ниже верхнего уровня горизонтальных проводников, чтобы гарантировать отсутствие над ними пористого слоя. Это снижает объем пористого слоя у верхнего края горизонтальных проводников, где вследствие концентрации электрических полей влияние пористого слоя на снижение паразитной емкости наиболее эффективно. Это снижает быстродействие изделий. Если для удаления пористого слоя над проводниками использовать метод ХМП, то верхняя область пористого слоя между проводниками может быть забита продуктами обработки. Это ухудшит качество изоляции между проводниками. По всей видимости лучшим вариантом для удаления пористого слоя над проводниками является плазмохимическое травление. Но используемый в прототипе способ нанесения пористой пленки из жидкой фазы не обеспечивает глобальной планаризации. Данный метод лишь сглаживает края рельефа и уменьшает величину рельефа лишь в областях узких зазоров, не обеспечивая общего снижения рельефа, что характерно, например, для метода ХМП. Следовательно, при использовании обратного плазмохимического травления для удаления пористого слоя над проводниками, для планаризации рельефа поверхности пластины потребуется ввести не предусмотренную в прототипе операцию ХМП по слою межуровневого диэлектрика. Отсутствие этой операции снижает выход годных и надежность изделий, особенно изделий с большим числом проводящих уровней.
Раскрытие изобретения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение быстродействия, надежности и выхода годных изделий, а также расширение технологических возможностей их изготовления.
Существенными признаками, характеризующими изобретение, которые являются также отличительными по отношению к прототипу, являются предлагаемая совокупность и последовательность выполнения действий, заключающаяся в том, что на полупроводниковой подложке, покрытой диэлектрическим слоем со встроенными в него вертикальными проводниками к нижележащим активным и пассивным элементам микросхемы формируют первый проводящий слой, формируют первый плотный диэлектрический слой, формируют маску для травления отверстий под межуровневые вертикальные проводники, формируют межуровневые отверстия в первом диэлектрическом слое до первого проводящего слоя методом локального травления и удаляют маску. Формируют межуровневые вертикальные проводники путем нанесения второго проводящего слоя, покрывающего поверхность первого диэлектрического слоя и заполняющего отверстия и удаления второго проводящего слоя с поверхности первого диэлектрического слоя методом ХМП. Формируют маску с рисунком горизонтальных проводников и локально травят первый диэлектрический слой до первого проводящего слоя, а затем первый проводящий слой, по крайней мере, до диэлектрического слоя, покрывающего полупроводниковую подложку и удаляют маску. В результате формируют разделенные зазорами горизонтальные проводники, покрытые сверху первым диэлектрическим слоем, в который встроены вертикальные проводники. При этом зазоры образованы боковыми поверхностями смежных горизонтальных проводников и боковыми поверхностями диэлектрического слоя, покрывающего поверхность этих проводников. В случае совпадения боковых поверхностей вертикальных проводников, проходящих вдоль горизонтальных проводников с краем горизонтальных проводников, такие стенки вертикальных проводников также являются зазорообразующими элементами. С целью повышения стойкости маски с рисунком горизонтальных проводников при проведении операции локального травления, после операции ХМП по второму проводящему слою на поверхность структуры могут наносить дополнительный слой, формировать маску на основе фоторезиста, а затем локально травить дополнительный слой до первого диэлектрического слоя. В результате получают маску, состоящую из слоя фоторезиста и дополнительного слоя. Далее формируют относительно тонкий, по сравнению с шириной зазоров, второй, защитный диэлектрический слой, покрывающий боковую поверхность горизонтальных проводников, поверхность расположенного на них диэлектрического слоя, открытую поверхность вертикальных проводников и дно зазоров между проводниками. Формируют третий, пористый планаризующий диэлектрический слой, покрывающий поверхность и заполняющий зазоры до уровня выше уровня поверхности горизонтальных проводников, по крайней мере, в зазорах минимальной ширины. Проводят открытое травление диэлектрических слоев в плазме селективно к материалу вертикальных проводников до удаления, по крайней мере, пористого диэлектрического слоя с поверхности над вертикальными проводниками и углубления поверхности, по крайней мере, пористого диэлектрического слоя ниже поверхности вертикальных проводников и не ниже поверхности горизонтальных проводников, по крайней мере, в зазорах между проводниками минимальной ширины. В результате вертикальные проводники выступают над поверхностью. Далее формируют четвертый плотный диэлектрический слой с уровнем поверхности выше уровня поверхности межуровневых вертикальных проводников. Проводят операцию ХМП поверхности четвертого диэлектрического слоя до вскрытия вертикальных проводников. Затем повторяют цикл до формирования заданного числа проводящих уровней. Горизонтальные проводники верхнего уровня формируют путем нанесения и локального травления проводящего сдоя, после чего формируют пассивирующий диэлектрический слой с отверстиями к проводникам для приварки выводов.
Второй диэлектрический слой формируют для защиты проводников от дефектообразования при последующих обработках, однако он уменьшает ширину зазора, заполняемого пористым слоем, и увеличивает паразитную емкость между проводниками. Для минимизации емкости второй диэлектрический слой могут формировать толщиной от 0,01 до 0,05 мкм.
Третий диэлектрический слой, покрывающий поверхность и заполняющий пространство между смежными проводниками формируют пористым, имеющим распределенные по слою пустоты, для снижения эффективной диэлектрической проницаемости слоя.
Третий, пористый диэлектрический слой заполняет зазоры до уровня, выше уровня поверхности горизонтальных проводников, по крайней мере, между близкорасположенными смежными горизонтальными проводниками, что обеспечит минимизацию межпроводниковых емкостных связей и повышает быстродействие изделий. В предлагаемом способе относительно широкие зазоры могут не полностью заполняться пористым диэлектрическим слоем. При этом такие зазоры заполняются плотным диэлектрическим слоем баз существенного влияния на общую емкость межсоединений. Более толстый слой плотного диэлектрика в широких зазорах увеличивает механическую прочность межсоединений и улучшает условия для выполнения операции ХМП до вскрытия поверхности вертикальных проводников. Уровень заполнения зазоров при формировании пористого слоя проводят с учетом последующего углубления поверхности при открытом травлении.
Скорость травления третьего, пористого диэлектрического слоя при открытом травлении, с целью углубления его поверхности ниже поверхности вертикальных проводников, должна быть равна или выше скорости травления второго защитного и первого диэлектрических слоев. Это исключает возможность образования щелевидных углублений между пористым и первым диэлектрическим слоями, что повышает выход годных изделий.
Углубление поверхности при открытом травлении диэлектрических слоев проводят не ниже поверхности горизонтальных проводников для обеспечения наличия пористого слоя по всей высоте горизонтальных проводников, что минимизирует емкостные связи между ними.
Третий, пористый диэлектрический слой в предлагаемом изобретении сглаживает поверхность структуры. Это позволяет формировать бездефектный четвертый диэлектрический и последующие слои, что повышает выход годных и надежность изделий.
Минимальный уровень поверхности четвертого диэлектрического слоя, включая и широкие зазоры между горизонтальными проводниками, формируют не ниже уровня поверхности межуровневых вертикальных проводников для того, чтобы после завершения последующей операции ХМП диэлектрика до вскрытия вертикальных проводников вся поверхность была планарной и не имела углублений, являющихся причиной последующего дефектообразования, это повышает выход годных и надежность изделий.
Третий, пористый планаризующий диэлектрический слой могут формировать методом химического нанесения из раствора в несколько приемов, что расширяет технологические возможности изготовления изделий. Возможно использование комбинации методов химического нанесения из раствора и нанесения из газовой фазы. Пористый слой может иметь ультранизкую диэлектрическую проницаемость Кэфф от 2 до 2,5 и размер пор от 0,002 до 0,05 мкм, что обеспечивает минимизацию емкостных связей и повышает быстродействие изделий. Предлагаемый способ менее критичен к размеру пор, так как в нем отсутствуют процессы локального травления пористого слоя.
Формирование первого, второго и четвертого диэлектрических слоев могут осуществлять методом плазмоактивированного газофазного осаждения с низкой диэлектрической проницаемостью Кэфф от 2,7 до 3,6, что дополнительно снижает межпроводниковую емкость.
Формирование второго защитного диэлектрического слоя могут осуществлять методом атомарного осаждения слоя диоксида кремния толщиной от 0,01 до 0,05 мкм, позволяющим формировать прецизионные слои, это повышает воспроизводимость параметров структур и их надежность.
Формирование четвертого диэлектрического слоя могут осуществлять методом химического нанесения из раствора, но без образования пор, что обеспечивает дополнительное сглаживание рельефа и унифицирует оборудование, применяемое для формирования третьего и четвертого диэлектрических слоев.
Формирование четвертого диэлектрического слоя могут осуществлять методом плазмоактивированного газофазного осаждения в высокоплотной плазме, что обеспечивает его более высокую твердость, чем слои, формируемые методом нанесения из растворов на центрифуге, и лучшее качество процесса ХМП, в результате чего повышается выход годных изделий.
Плазменное травление поверхности после формирования пористого слоя проводят до углубления уровня его поверхности в зазорах, по крайней мере, минимальной ширины, на оптимальную величину от 20 до 60% от высоты вертикальных проводников. При недостаточном углублении возможно вскрытие пористого слоя при операции ХМП, а при избыточном углублении увеличиваются емкостные связи между смежными проводниками.
Локальное травление первого проводящего слоя после травления первого диэлектрического слоя могут проводить со стравливанием части диэлектрического слоя, покрывающего подложку в области зазоров между проводниками с глубиной травления диэлектрического слоя, равной или превышающей толщину защитного диэлектрического слоя. Травление могут проводить после травления материала первого проводящего слоя на основе алюминия в хлорсодержащей плазме, во время типовой антикоррозионной обработки во фторсодержащей плазме. В этом случае после формирования защитного диэлектрического слоя уровень дна зазоров между горизонтальными проводниками будет не выше нижнего уровня горизонтальных проводников, что обеспечивает заполнение зазоров пористым диэлектрическим слоем с ультранизкой диэлектрической проницаемостью по всей боковой поверхности горизонтальных проводников. Это дополнительно снижает межпроводниковую емкость и повышает быстродействие изделий. Для компенсации толщины стравливаемого диэлектрического слоя, покрывающего подложку, его исходная толщина может быть увеличена.
В предлагаемом способе формирование межуровневых отверстий в первом диэлектрическом слое проводят после формирования первого проводящего слоя и первого диэлектрического слоя. Травление отверстий осуществляют в плотном диэлектрическом слое в условиях, когда проводящий слой не разделен на отдельные проводники, вследствие чего отсутствует возможность образования дефектов в виде щелей при выходе отверстий за край токоведущих дорожек, что имеет место в варианте по прототипу. Края отверстий в плотном диэлектрике не имеют пор, поэтому отсутствует возможность заполнения пор продуктами обработки, что возможно в случае формирования отверстий в пористом диэлектрическом слое. Отсутствие возможности образования таких дефектов улучшает электрические характеристики изделий, повышает выход годных изделий и их надежность.
В предлагаемом способе не требуется введение в топологию гарантированного зазора между краями горизонтальных проводников и отверстий. Межуровневые отверстия могут формировать размером, в направлении, перпендикулярном направлению вдоль горизонтальных проводников нижнего уровня, равным топологической ширине этих проводников в области отверстий, или размером, большим топологической ширины проводников. Это повышает плотность компоновки элементов изделий и их быстродействие. Возможность формировать межуровневые отверстия размером, равным или превышающим топологическую ширину горизонтальных проводников нижнего уровня, позволяет увеличить сечение вертикальных проводников, а также площадь их контакта с горизонтальными проводниками. Это снижает сопротивление вертикальных проводников и межуровневое контактное сопротивление, что повышает быстродействие изделий, надежность и выход годных. Оптимальным по плотности компоновки и сопротивлению является вариант, когда выход отверстий за горизонтальные проводники топологически проектируют равным величине максимального рассовмещения слоев при переносе изображения. Эта величина, как правило, существенно меньше расстояния между смежными проводниками.
При выходе отверстий, заполненных вторым проводящим слоем, за пределы горизонтальных проводников травление первого диэлектрического и первого проводящего слоев могут осуществлять методом неселективного травления по отношению ко второму проводящему слою. В этом случае выступающая за маску часть вертикальных проводников и расположенная под ней часть первого проводящего слоя будет стравлена, а зазор между смежными горизонтальными проводниками в области вертикальных проводников будет иметь ширину, определяемую шириной зазора по маске под травление горизонтальных проводников. При этом снимается ограничение по величине выхода отверстий за пределы проводников, а межуровневые отверстия могут формировать размером, большим, чем топологическая ширина проводника.
Рассмотрим случай, когда каждый из двух смежных, электрически не связанных горизонтальных проводников должен иметь на своей поверхности свой вертикальный проводник, причем оба вертикальных проводника должны быть расположены в плане на одном уровне вдоль смежных горизонтальных проводников. При селективном травлении первого диэлектрического слоя по отношению к материалу второй проводящей пленки под каждый вертикальный проводник необходимо формировать отдельное отверстие, по одному под каждый вертикальный проводник. При неселективном травлении вместо двух отдельных отверстий можно формировать одно общее отверстие, топологически перекрывающее смежные проводники, так как через маску с рисунком горизонтальных проводников часть второго проводящего слоя, заполняющего общее отверстие, будет стравлена. Соответственно, в этой области будет стравлен и первый проводящий слой. Таким образом, при неселективном травлении первого диэлектрического слоя по отношению к материалу второго проводящего слоя, отверстия под вертикальные проводники могут формировать общими для нескольких смежных проводников, что дополнительно снимает топологические ограничения и повышает плотность компоновки изделий и их быстродействие.
Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является высокая степень планарности поверхности структуры, что обеспечивается комбинацией операций формирования пористого слоя методом химического нанесения из раствора и планаризацией поверхности при вскрытии вертикальных проводников методом ХМП. Это дополнительно повышает выход годных и надежность изделий. Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с прототипом является возможность введения пористого диэлектрика в зазоры малой ширины между смежными проводниками. При этом исключается необходимость применения сложного процесса закрытия пор на вытравленной поверхности пористого слоя после формирования в нем канавок и отверстий.
Предлагаемая совокупность и последовательность выполнения действий раскрывает сущность предлагаемого изобретения. Используемые в предлагаемом способе отдельные операции известны, однако их применение в новой, ранее не используемой совокупности и последовательности обеспечивает достижение поставленной цели, а именно повышение быстродействия, выхода годных и надежности изделий, а также расширение технологических возможностей изготовления изделий. В этом заключается техническая новизна, полезность и изобретательский уровень заявляемого способа.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1-9 представлены основные этапы изготовления многоуровневых межсоединений по прототипу (патент США №6,159,842, H01L 21/00, 12.12.2000) на примере одного уровня горизонтальных и одного уровня вертикальных проводников.
На Фиг.1 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования на полупроводниковой подложке 1, покрытой диэлектрическим слоем 2, первого проводящего слоя 3.
На Фиг.2 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования горизонтальных проводников 4 методом локального травления.
На Фиг.3 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования защитного диэлектрика 5.
На Фиг.4 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования пористого планаризующего диэлектрического слоя 6, покрывающего поверхность и заполняющего зазоры между горизонтальными проводниками.
На Фиг.5 представлен схематический разрез структуры по прототипу после открытого травления пористого диэлектрического слоя в плазме до его удаления с поверхности над горизонтальными проводниками 7 и формирования на поверхности пористого слоя плотного поверхностного слоя 8 методом плазменной обработки.
На Фиг.6 представлен схематический разрез структуры по прототипу после нанесения межуровневого диэлектрического слоя 9.
На Фиг.7 представлен схематический разрез структуры по прототипу после формирования межуровневых отверстий 10 в диэлектрических слоях до поверхности горизонтальных проводников.
На Фиг.8 представлен схематический разрез структуры по прототипу после нанесения второго проводящего слоя 11, покрывающего поверхность и заполняющего отверстия.
На Фиг.9 представлен схематический разрез структуры по прототипу после ХМП второго проводящего слоя до его удаления с поверхности диэлектрического слоя, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники 12.
На Фиг.10-20 представлены основные этапы изготовления многоуровневых межсоединений интегральных микросхем с пористым диэлектрическим слоем в зазорах между проводниками по заявляемому способу на примере одного уровня горизонтальных и одного уровня вертикальных проводников.
На Фиг.10 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после нанесения на полупроводниковую подложку 1, покрытую диэлектрическим слоем 2, первого проводящего слой 3 и первого диэлектрического слоя 13.
На Фиг.11 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после локального травления межуровневых отверстий 10 в первом диэлектрическом слое.
На Фиг.12 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования второго проводящего слоя 11, покрывающего поверхность и заполняющего межуровневые отверстия.
На Фиг.13 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после ХМП второго проводящего слоя до его удаления с поверхности первого диэлектрического слоя, в результате чего формируются межуровневые вертикальные проводники 12.
На Фиг.14 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования маски 14 с рисунком горизонтальных проводников.
На Фиг.15 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после локального травления первого диэлектрического слоя и первого проводящего слоя до диэлектрического слоя, покрывающего подложку, и удаления маски, в результате чего формируются горизонтальные проводники 4, разделенные зазорами, покрытые сверху первым диэлектрическим слоем, в который встроены вертикальные проводники.
На Фиг.16 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования второго, защитного диэлектрического слоя 5.
На Фиг.17 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования третьего, пористого планаризующего диэлектрического слоя 6, покрывающего поверхность и заполняющего зазоры между смежными горизонтальными проводниками.
На Фиг.18 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после открытого травления поверхности в плазме.
На Фиг.19 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после формирования четвертого диэлектрического слоя 15.
На Фиг.20 представлен схематический разрез структуры по заявляемому способу после ХМП диэлектрических слоев до вскрытия поверхности вертикальных проводников 12.
Осуществление изобретения.
На полупроводниковой подложке типа КЭФ4,5(100) с активными и пассивными элементами, покрытой диэлектрическим слоем толщиной 0,6 мкм и имеющей встроенные в диэлектрический слой вертикальные проводники на основе W, контактирующие с активными и пассивными элементами, формируют первый проводящий слой, состоящий из адгезионной пленки Ti толщиной 0,05 мкм, барьерной пленки TiN толщиной 0,1 мкм, проводящей пленки Аl, легированный Si и Сu. Методом плазмохимического осаждения из газовой смеси на основе моносилана и кислорода наносят первый диэлектрический слой толщиной 0,8 мкм. Формируют фоторезистивную маску под травление межуровневых отверстий. Минимальные отверстия имеют квадратную форму со стороной 0,6 мкм. Отверстия спроектированы так, что они симметрично перекрывают топологический края формируемых на последующих этапах проводников в направлении, перпендикулярном направлению вдоль проводников, на величину максимального рассовмещения слоев при формировании фоторезистивных масок, равную 0,05 мкм. Методом реактивного ионно-плазменного травления во фторсодержащей плазме вытравливают отверстия в первом диэлектрическом слое до первого проводящего слоя и удаляют маску в кислородсодержащей плазме. Формируют второй проводящий слой, состоящий из адгезионной пленки Ti толщиной 0,05 мкм, барьерной пленки TiN толщиной 0,1 мкм и проводящей пленки W толщиной 1,0 мкм, методом конформного газофазного осаждения. Удаляют второй проводящий слой с поверхности первого диэлектрического слоя методом ХМП. В результате формируют вольфрамовые вертикальные проводники, заполняющие межуровневые отверстия. Формируют фоторезистивную маску с рисунком горизонтальных проводников с минимальным зазором 0,35 мкм и минимальной шириной проводников 0,5 мкм. Вследствие рассовмещения слоев маска смещена относительно вольфрамовых проводников на величину до 0,05 мкм, в результате на части поверхности подложки край маски с одной стороны вольфрамовых проводников совпадает с их краем, а с противоположной стороны отстает от края на 0,1 мкм. Методом реактивного ионно-плазменного травления во фторсодержащей плазме локально травят первый диэлектрический слой до первого проводящего слоя селективно по отношению к W, TiN и Ti. Методом реактивного ионно-плазменного травления в хлорсодержащей плазме локально травят первый проводящий слой до диэлектрического слоя, покрывающего подложку селективно по отношению к W, TiN и Ti, и удаляют маску. В результате формируют горизонтальные проводники, покрытые сверху первым диэлектрическим слоем со встроенными в него вертикальными проводниками. Минимальный зазор между смежными горизонтальными проводниками 0,35 мкм, заложенный в топологию при проектировании, на части поверхности подложки в области межуровневых вертикальных вольфрамовых проводников минимального размера с одной из сторон проводников реально формируется меньшим на 0,1 мкм и составляет 0,25 мкм. Такой зазор формируется в области вдоль края вольфрамовых проводников минимального размера 0,6 мкм и не оказывает влияния на выход годных и суммарные паразитные емкостные связи между проводниками. Далее наносят третий, защитный диэлектрический слой диоксида кремния толщиной 0,03 мкм методом газофазного осаждения в плазме ВЧ-разряда из смеси на основе моносилана и кислорода. Методом химического нанесения из раствора, включающего нанесение пленки методом центрифугирования и термообработку, формируют планаризующий пористый диэлектрический слой, с ультранизкой диэлектрической проницаемостью Кэфф, равной 2,1, и размером пор от 0,002 до 0,05 мкм. Проводят операцию плазмохимического травления диэлектрических слоев во фторсодержащей плазме до их удаления с поверхности над горизонтальными проводниками с перетравом на глубину 0,4 мкм. Далее наносят четвертый диэлектрический слой толщиной 0,8 мкм газофазным методом и удаляют часть четвертого диэлектрического слоя методом ХМП до вскрытия поверхности вертикальных проводников. Цикл повторяют два раза начиная с формирования первого проводящего слоя. Далее наносят верхний проводящий слой, состоящий из адгезионной пленки Ti толщиной 0,05 мкм, барьерной пленки TiN толщиной 0,1 мкм, проводящей пленки Аl, легированный Si и Сu толщиной 0,8 мкм, формируют маску с рисунком верхних проводников, локально травят верхний проводящий слой и удаляют маску в кислородсодержащей плазме. Формируют слой пассивации путем осаждения диэлектрического слоя толщиной 0,03 мкм в плазме ВЧ-разряда из смеси на основе моносилана и закиси азота, нанесения пористого планаризующего диэлектрического слоя с ультранизкой диэлектрической проницаемостью методом химического нанесения из раствора и нанесения диэлектрического слоя толщиной 0,5 мкм в плазме ВЧ-разряда. Формируют в слое пассивации окна к площадкам для приварки выводов путем формирования фоторезистивной маски, локального плазмохимического травления слоя пассивации во фторсодержащей плазме и удаления маски, после чего проводят термообработку структур. В результате получают четыре уровня горизонтальных проводников, соединенных межуровневыми вертикальными проводниками, покрытые пассивирующим диэлектрическим слоем.