RU2333568C1 - Method of making system for metal plating silicon semiconductor devices - Google Patents
Method of making system for metal plating silicon semiconductor devices Download PDFInfo
- Publication number
- RU2333568C1 RU2333568C1 RU2006142979/28A RU2006142979A RU2333568C1 RU 2333568 C1 RU2333568 C1 RU 2333568C1 RU 2006142979/28 A RU2006142979/28 A RU 2006142979/28A RU 2006142979 A RU2006142979 A RU 2006142979A RU 2333568 C1 RU2333568 C1 RU 2333568C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- film
- semiconductor devices
- dielectric
- aluminum
- Prior art date
Links
Landscapes
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кремниевых полупроводниковых приборов.The invention relates to the field of electronic technology, in particular to microelectronics, and can be used in the manufacture of silicon semiconductor devices.
Постоянный рост степени интеграции полупроводниковых приборов, сопровождающийся уменьшением размеров их элементов, приводит к значительному повышению используемых рабочих плотностей электрического тока [1]. Повышение плотности электрического тока, в свою очередь, приводит к деградации электрических характеристик систем металлизации и их отказу. Это связано с тем, что при протекании электрического тока высокой плотности наблюдается явление массопереноса материала проводника в направлении потока электронов, приводящее к его разрыву. Данное явление получило название электромиграции, и на сегодняшний день надежность и долговечность работы большинства полупроводниковых приборов в целом определяется устойчивостью их систем металлизации именно к этому явлению. Большинство полупроводниковых приборов изготавливается по планарной технологии с использованием для электрических соединений различных элементов между собой пленочных токопроводящих систем требуемой геометрической конфигурации. При этом основным материалом для их изготовления практически с момента появления и до настоящего времени являются пленки на основе алюминия.A constant increase in the degree of integration of semiconductor devices, accompanied by a decrease in the size of their elements, leads to a significant increase in the used working electric current densities [1]. An increase in the density of electric current, in turn, leads to the degradation of the electrical characteristics of metallization systems and their failure. This is due to the fact that when a high-density electric current flows, the phenomenon of mass transfer of the conductor material in the direction of the electron flow is observed, leading to its rupture. This phenomenon is called electromigration, and today the reliability and durability of most semiconductor devices as a whole is determined by the stability of their metallization systems precisely to this phenomenon. Most semiconductor devices are manufactured according to planar technology using film conductive systems of the required geometric configuration for electrical connections between various elements. In this case, the main material for their manufacture almost from the moment of its appearance to the present time are aluminum-based films.
Типовой процесс изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов широко описан в технической литературе и включает последовательное формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки, формирование в этой пленке контактных окон к активным областям, нанесение пленки алюминия, формирование рисунка электрической разводки и последующую термообработку для обеспечения требуемых электрофизических характеристик системы [2-5].A typical process for the manufacture of a metallization system for semiconductor devices is widely described in the technical literature and includes the sequential formation on a silicon substrate with active regions of a dielectric film, the formation of contact windows in this film for active regions, the deposition of an aluminum film, the formation of an electrical wiring pattern, and subsequent heat treatment to provide the required electrophysical system characteristics [2-5].
При этом в качестве диэлектрика используются преимущественно пленки на основе диоксида кремния толщиной от 0,3 до 1,5 мкм. Толщина пленки алюминия составляет от 0,5 до 2,0 мкм. Процесс термической обработки полученной системы проводят обычно в инертной атмосфере при температуре 450-550°С в течение 5-30 мин. Он предназначен для рекристаллизации алюминиевой пленки и формирования омического контакта алюминия к кремнию. Инертная атмосфера требуется для избежания коррозии металлической пленки, приводящей к заметному снижению ее электропроводности. Температурный интервал проведения процесса определяется температурой образования эвтектики алюминия с кремнием (~577°С), а временной - кинетикой их взаимодействия, а также раскисляющим действием алюминия по отношению к оксиду кремния. Это связано с тем, что поверхность чистого кремния, в том числе и в контактных окнах, всегда покрыта тонкой пленкой оксида кремния вследствие высокой химической активности кремния и окисления его на воздухе. Оксид кремния является диэлектриком, поэтому такая пленка препятствует формированию качественного контакта между алюминиевым проводником и активной областью полупроводника. С другой стороны, получаемая различными методами вакуумного напыления алюминиевая пленка является довольно рыхлой и обладает повышенным электрическим сопротивлением. В течение цикла термообработки получаемой системы металлизации алюминий взаимодействует с оксидом кремния в контактных окнах с образованием оксида алюминия и чистого кремния. Получающийся оксид алюминия растворяется в алюминиевой пленке, за счет этого область контакта зачищается от диэлектрика и формируется высококачественный контакт алюминия с кремнием. Одновременно происходит рекристаллизация алюминиевой пленки с ее уплотнением и заметным улучшением электрических характеристик.In this case, films based on silicon dioxide with a thickness of 0.3 to 1.5 μm are mainly used as the dielectric. The film thickness of aluminum is from 0.5 to 2.0 microns. The process of heat treatment of the resulting system is usually carried out in an inert atmosphere at a temperature of 450-550 ° C for 5-30 minutes. It is intended for the recrystallization of an aluminum film and the formation of an ohmic contact of aluminum to silicon. An inert atmosphere is required to avoid corrosion of the metal film, leading to a noticeable decrease in its electrical conductivity. The temperature interval of the process is determined by the temperature of the formation of the eutectic of aluminum with silicon (~ 577 ° C), and the time by the kinetics of their interaction, as well as the deoxidizing effect of aluminum with respect to silicon oxide. This is due to the fact that the surface of pure silicon, including in the contact windows, is always covered with a thin film of silicon oxide due to the high chemical activity of silicon and its oxidation in air. Silicon oxide is a dielectric, so this film prevents the formation of high-quality contact between the aluminum conductor and the active region of the semiconductor. On the other hand, the aluminum film obtained by various methods of vacuum deposition is rather loose and has an increased electrical resistance. During the heat treatment cycle of the resulting metallization system, aluminum interacts with silicon oxide in the contact windows to form aluminum oxide and pure silicon. The resulting aluminum oxide dissolves in the aluminum film, due to this the contact area is cleaned from the dielectric and a high-quality contact of aluminum with silicon is formed. At the same time, the aluminum film recrystallizes with its compaction and a noticeable improvement in electrical characteristics.
Таким образом, термообработка полученной системы металлизации обеспечивает формирование омических контактов к активным областям и минимальное электрическое сопротивление пленки металла. Температурно-временные параметры процесса термообработки определяются особенностями взаимодействия алюминия с оксидом кремния и далее с кремнием в контактных окнах к активным областям прибора и на сегодняшний день являются общепринятыми.Thus, heat treatment of the obtained metallization system ensures the formation of ohmic contacts to active regions and minimal electrical resistance of the metal film. The temperature-time parameters of the heat treatment process are determined by the features of the interaction of aluminum with silicon oxide and then with silicon in the contact windows to the active areas of the device and are generally accepted today.
Недостатки такого техпроцесса обусловлены высокой взаимной растворимостью алюминия и кремния и массопереносом материала пленки под воздействием технологических факторов в процессе изготовления приборов, а также под воздействием электрического поля в процессе их эксплуатации. Это приводит в условиях термообработки и при последующей эксплуатации к чрезмерному растворению кремния в алюминии и электрическому замыканию p-n-переходов, расположенных непосредственно под областью контакта металла с полупроводником, утонению токоведущих дорожек системы металлизации и их разрушению.The disadvantages of this process are due to the high mutual solubility of aluminum and silicon and mass transfer of the film material under the influence of technological factors in the manufacturing process of devices, as well as under the influence of an electric field during their operation. This, under the conditions of heat treatment and subsequent operation, leads to excessive dissolution of silicon in aluminum and electrical short circuit of p-n junctions located directly below the area of metal-semiconductor contact, thinning of current paths of the metallization system and their destruction.
Очевидным способом снижения растворимости кремния в алюминии является легирование алюминиевой пленки кремнием. Концентрация кремния в алюминии при этом выбирается близкой к составу эвтектики (98,68% Al + 1,32% Si). Технология изготовления системы металлизации полупроводниковых приборов с использованием сплавов алюминия с добавкой 1-3% кремния практически не отличается от предыдущего аналога [6]. Пожалуй, единственным отличием такого способа является проведение дополнительной операции по удалению кремниевой крошки с поверхности структур после травления пленки сплава алюминия.An obvious way to reduce the solubility of silicon in aluminum is to alloy the aluminum film with silicon. The silicon concentration in aluminum is chosen close to the composition of the eutectic (98.68% Al + 1.32% Si). The manufacturing technology of the metallization system of semiconductor devices using aluminum alloys with the addition of 1-3% silicon practically does not differ from the previous analogue [6]. Perhaps the only difference between this method is the additional operation to remove silicon chips from the surface of the structures after etching of the aluminum alloy film.
Наличие кремния в пленке алюминия замедляет процесс растворения материала подложки в металле и снижает массоперенос, обусловленный именно этими явлениями. Однако массоперенос, вызываемый действием электрического поля в процессе эксплуатации прибора, при этом практически не уменьшается.The presence of silicon in the aluminum film slows down the process of dissolution of the substrate material in the metal and reduces the mass transfer due to precisely these phenomena. However, the mass transfer caused by the action of an electric field during operation of the device, while practically not reduced.
Данному явлению посвящено большое количество работ и установлено, что процессы электромиграции происходят главным образом по границам зерен токопроводящей пленки. Границы зерен характеризуются высокой плотностью различных дефектов, проявляющих электрическую активность. Поэтому дальнейшим шагом по снижению массопереноса в системах металлизации полупроводниковых приборов является легирование алюминия различными элементами, т.е. использование сплавов алюминия [6]. Легирующие элементы накапливаются преимущественно на границах зерен, заполняя тем самым имеющиеся вакансии и снижая плотность электрически активных дефектов в целом. Выбор конкретного легирующего элемента при этом обусловлен преимущественно функциональным назначением и предстоящими условиями эксплуатации изготавливаемого прибора.A large number of works have been devoted to this phenomenon and it has been established that electromigration processes occur mainly along the grain boundaries of a conductive film. Grain boundaries are characterized by a high density of various defects exhibiting electrical activity. Therefore, the next step to reduce mass transfer in the metallization systems of semiconductor devices is to alloy aluminum with various elements, i.e. the use of aluminum alloys [6]. Alloying elements accumulate mainly at grain boundaries, thereby filling existing vacancies and reducing the density of electrically active defects as a whole. The choice of a specific alloying element in this case is mainly determined by the functional purpose and the upcoming operating conditions of the manufactured device.
Оценку устойчивости системы металлизации полупроводниковых приборов к электромиграции проводят обычно путем измерения времени tp, при котором происходит разрыв токоведущей дорожки испытываемой тестовой структуры при повышенных температуре (до 250°С) и плотности протекающего через структуру тока (около 106 А·см-2). Величина tp называется временем разрушения или временем наработки на отказ (ВНО). Полученные при условиях испытаний данные экстраполируют на нормальные условия работы прибора. Математически связь между tp и условиями испытаний выражается какThe stability assessment of the metallization system of semiconductor devices to electromigration is usually carried out by measuring the time t p at which the current path of the test structure under test breaks at elevated temperatures (up to 250 ° C) and the current density passing through the structure (about 10 6 A · cm -2 ) . The value of t p is called the destruction time or time between failures (VNO). The data obtained under the test conditions are extrapolated to the normal operating conditions of the device. Mathematically, the relationship between t p and test conditions is expressed as
где S - поперечное сечение проводника, F - эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик токопроводящей системы, удельного сопротивления материала пленки, условий теплоотвода, особенностей тестовой структуры и т.п., j - плотность тока через структуру, Еа - энергия активации процесса электромиграции, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура [7].where S is the cross section of the conductor, F is the empirical coefficient depending on the characteristics of the conductive system, the specific resistance of the film material, heat removal conditions, features of the test structure, etc., j is the current density through the structure, E a is the activation energy of the electromigration process, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature [7].
Отсюда видно, что при повышении степени интеграции, приводящем к уменьшению площади поперечного сечения проводников S и возрастанию плотности тока j, стойкость любой системы металлизации к электромиграции снижается. Резервом повышения надежности системы металлизации является повышение энергии активации Еа процесса электромиграции. При повышении энергии активации всего на 0,1 эВ, надежность токопроводящей системы увеличивается в 55 раз. Величина Ea определяется энергетическими затратами на отрыв атома от кристаллической решетки и зависит как от материала проводника, так и от совершенства его кристаллической структуры. Совершенство системы металлизации, в частности, дефектность металлической пленки, определяемая ее кристаллической структурой, оказывает влияние на энергию активации процесса массопереноса. С увеличением дефектности Еa снижается, процесс массопереноса ускоряется, что приводит к снижению ВНО. Происходит разрыв токоведущей дорожки и отказ прибора.This shows that with an increase in the degree of integration, leading to a decrease in the cross-sectional area of the conductors S and an increase in the current density j, the resistance of any metallization system to electromigration decreases. The reserve to increase the reliability of the metallization system is to increase the activation energy E a of the electromigration process. With an increase in activation energy of only 0.1 eV, the reliability of the conductive system increases by 55 times. The value of E a is determined by the energy cost of detaching the atom from the crystal lattice and depends both on the material of the conductor and on the perfection of its crystal structure. The perfection of the metallization system, in particular, the defectiveness of the metal film, determined by its crystalline structure, affects the activation energy of the mass transfer process. With increasing defectiveness, E a decreases, the mass transfer process accelerates, which leads to a decrease in VNO. The current path breaks and the device fails.
Использование сплавов алюминия дает заметный положительный эффект за счет снижения концентрации электрически активных дефектов, однако не является радикальным методом, поскольку не сводит влияние дефектов к нулю. Поэтому системы металлизации с использованием сплавов алюминия также характеризуются наличием значительной электромиграции.The use of aluminum alloys gives a noticeable positive effect by reducing the concentration of electrically active defects, but it is not a radical method, since it does not reduce the influence of defects to zero. Therefore, metallization systems using aluminum alloys are also characterized by the presence of significant electromigration.
Наиболее близким к изобретению, его прототипом, является способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов, включающий формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки на основе диоксида кремния, формирование в этой пленке контактных окон к активным элементам подложки, нанесение пленки сплава алюминия заданной толщины, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку в атмосфере водорода [8].Closest to the invention, its prototype is a method of manufacturing a metallization system of silicon semiconductor devices, comprising forming a silicon dioxide-based dielectric film on a silicon substrate with active regions, forming contact windows in this film for active substrate elements, applying an aluminum alloy film of a predetermined thickness, formation of a metallization pattern and subsequent heat treatment in a hydrogen atmosphere [8].
Температурно-временные параметры процесса термообработки структур в водороде такие же, как в рассмотренных выше случаях. Толщины используемых пленок зависят от степени интеграции приборов, определяющей размер активных областей, и также соответствуют указанным выше интервалам.The temperature-time parameters of the process of heat treatment of structures in hydrogen are the same as in the cases considered above. The thicknesses of the films used depend on the degree of integration of the devices, which determines the size of the active regions, and also correspond to the above intervals.
Пассивация межзеренных границ водородом в процессе термообработки системы металлизации является наиболее эффективным методом борьбы с электромиграцией. Водород имеет малый размер атома, легко проникает в металлическую пленку, проявляет высокую химическую активность в различных структурах и присоединяется на ненасыщенные связи. Межзеренные границы характеризуются большим количеством ненасыщенных связей и хорошо адсорбируют водород. Этим обеспечивается повышение энергии отрыва атома от кристаллической решетки, что в итоге приводит к повышению энергии активации процесса электромиграции.Passivation of grain boundaries with hydrogen during the heat treatment of the metallization system is the most effective method of combating electromigration. Hydrogen has a small atomic size, easily penetrates into a metal film, exhibits high chemical activity in various structures, and attaches to unsaturated bonds. Grain boundaries are characterized by a large number of unsaturated bonds and adsorb hydrogen well. This provides an increase in the energy of atom detachment from the crystal lattice, which ultimately leads to an increase in the activation energy of the electromigration process.
Однако обработка полученной системы металлизации полупроводниковых структур в водороде имеет и отрицательные стороны. Это связано с высокой восстанавливающей способностью водорода. Диоксид кремния при высокой температуре восстанавливается водородом до монооксида и далее до кремния. Наиболее подвержены восстановлению водородом дефектные участки, области повышенных механических напряжений, края ступенек топологического рельефа и т.п. Восстановленный кремний при этом оказывается насыщенным водородом, т.е. получаемая поверхностная пленка является ничем иным, как гидрогенизированным аморфным кремнием (другие названия: a-Si:H, α-кремний), обладающим электронной проводимостью. Толщина этой пленки крайне неоднородна и ничтожно мала, но ее влияние на электрофизические характеристики полученной системы металлизации существенно. Поверхность оксида кремния между дорожками металлизации становится электропроводной, возникают неконтролируемые паразитные утечки тока. Величина утечки зависит от типа пленки (например, плазмохимический оксид кремния, фосфоросиликатное стекло, пиролитический оксид кремния и т.п.), технологии ее получения и др. факторов.However, the processing of the obtained metallization system of semiconductor structures in hydrogen has also negative sides. This is due to the high reducing ability of hydrogen. Silicon dioxide at high temperature is reduced by hydrogen to monoxide and then to silicon. The most susceptible to hydrogen recovery are defective areas, areas of increased mechanical stress, edges of steps of topological relief, etc. In this case, reduced silicon turns out to be saturated with hydrogen, i.e. the resulting surface film is nothing more than hydrogenated amorphous silicon (other names: a-Si: H, α-silicon), which has electronic conductivity. The thickness of this film is extremely heterogeneous and negligible, but its influence on the electrophysical characteristics of the obtained metallization system is significant. The surface of silicon oxide between the metallization paths becomes electrically conductive, uncontrolled spurious current leaks occur. The amount of leakage depends on the type of film (for example, plasmochemical silica, phosphorosilicate glass, pyrolytic silica, etc.), its production technology, and other factors.
Кроме того, водород диффундирует сквозь пленку металлического сплава и вступает в реакцию с оксидом кремния, расположенным непосредственно под пленкой металла. Происходит частичное восстановление материала диэлектрической изоляции и потеря ее диэлектрических свойств. Наиболее интенсивное восстановление диэлектрика наблюдается в областях различных дефектов - поры, механически напряженные участки и др. В процессе дальнейшей эксплуатации прибора это приводит к образованию проводящих каналов в диэлектрике с их локальным разогревом вплоть до образования проплавленных областей. После проплавления на месте проводящего канала возникает воронка, а утечка тока через него исчезает. Далее ситуация повторяется в другой дефектной области. Данный процесс протекает при значениях электрического напряжения на структуре намного ниже напряжения пробоя, приводит к нестабильности работы прибора и его отказу. Данное явление называется «залечиванием» и достаточно подробно описано в литературе [9].In addition, hydrogen diffuses through the metal alloy film and reacts with silica located directly below the metal film. Partial restoration of the dielectric insulation material occurs and its dielectric properties are lost. The most intensive restoration of the dielectric is observed in the areas of various defects - pores, mechanically stressed sections, etc. During further operation of the device, this leads to the formation of conducting channels in the dielectric with their local heating up to the formation of melted areas. After penetration, a funnel appears at the site of the conducting channel, and the current leakage through it disappears. Further, the situation is repeated in another defective area. This process proceeds at electric voltage values on the structure much lower than the breakdown voltage, leading to instability of the device and its failure. This phenomenon is called “healing” and is described in sufficient detail in the literature [9].
Проведение дальнейших термических операций по формированию структуры полупроводникового прибора (например, формирование пассивирующего покрытия) не всегда восстанавливает потерянные диэлектриком свойства. Гидрогенизированный аморфный кремний, образовавшийся на поверхности диэлектрика в процессе термообработки в водороде, при этом окисляется не полностью. А в случаях, когда дальнейшие термические операции не предусмотрены, качество системы металлизации так и остается на относительно низком уровне.Conducting further thermal operations to form the structure of a semiconductor device (for example, the formation of a passivating coating) does not always restore the properties lost by the dielectric. Hydrogenated amorphous silicon, which was formed on the surface of a dielectric during heat treatment in hydrogen, is not completely oxidized. And in cases where further thermal operations are not provided, the quality of the metallization system remains at a relatively low level.
Таким образом, недостатком прототипа является относительно низкое качество получаемой системы металлизации вследствие наличия утечек электрического тока по вносимым дефектам диэлектрической изоляции.Thus, the disadvantage of the prototype is the relatively low quality of the resulting metallization system due to the leakage of electric current due to introduced defects in dielectric insulation.
Задачей заявляемого изобретения является повышение качества получаемой системы металлизации за счет снижения ее дефектности и улучшения электрических характеристик.The task of the invention is to improve the quality of the resulting metallization system by reducing its imperfection and improving electrical characteristics.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов, включающем формирование на кремниевой подложке с активными областями диэлектрической пленки на основе диоксида кремния, формирование в этой пленке контактных окон к активным элементам подложки, нанесение пленки сплава алюминия заданной толщины, формирование рисунка металлизации и последующую термообработку для получения омических контактов, термообработку проводят в атмосфере водорода с добавлением объемных % 0,5-3,0 воды или объемных % 0,25-1,5 кислорода.The problem is solved in that in a method for manufacturing a metallization system of silicon semiconductor devices, including forming on a silicon substrate with active regions of a silicon dioxide-based dielectric film, forming contact windows to the active elements of the substrate in this film, applying an aluminum alloy film of a given thickness, forming a pattern metallization and subsequent heat treatment to obtain ohmic contacts, heat treatment is carried out in a hydrogen atmosphere with the addition of volume% 0 5-3.0 water or volume% 0.25-1.5 oxygen.
Сущность заявляемого технического решения заключается в подавлении процесса восстановления диоксида кремния водородом при формировании омических контактов и кристаллической структуры металлической пленки.The essence of the proposed technical solution is to suppress the process of reducing silicon dioxide with hydrogen during the formation of ohmic contacts and the crystalline structure of the metal film.
Процесс химического взаимодействия водорода с диоксидом кремния, являющегося основным компонентом диэлектрика, протекает в соответствии с реакциями:The process of chemical interaction of hydrogen with silicon dioxide, which is the main component of the dielectric, proceeds in accordance with the reactions:
SiO2+H2→SiO+H2O↑.SiO 2 + H 2 → SiO + H 2 O ↑.
SiO+H2→Si+H2O↑.SiO + H 2 → Si + H 2 O ↑.
Si+H2→Si:H.Si + H 2 → Si: H.
Итоговая реакция имеет вид:The final reaction is:
SiO2+nH2→Si:H+mH2O↑.SiO 2 + nH 2 → Si: H + mH 2 O ↑.
Конечными продуктами реакции является α-кремний и вода. Гидрогенизированный аморфный кремний остается на поверхности диэлектрика, а вода уносится потоком водорода. Обнаружить наличие α-кремния на поверхности диэлектрика очень просто по явлению смачивания - диоксид кремния смачивается, в парах воды на его поверхности образуется сплошная пленка, а α-кремний не смачивается - в парах воды на его поверхности образуются капельки.The final reaction products are α-silicon and water. Hydrogenated amorphous silicon remains on the surface of the dielectric, and water is carried away by a stream of hydrogen. It is very simple to detect the presence of α-silicon on the surface of the dielectric by the phenomenon of wetting - silicon dioxide is wetted, a continuous film forms on the surface of water vapor, and α-silicon is not wetted - droplets form on the surface of water vapor.
По мере протекания процесса термообработки образуется все большее количество α-кремния. Постоянное удаление продуктов реакции (воды) из зоны взаимодействия обеспечивает протекание процесса только в прямом направлении, хотя в действительности он является обратимым. В заявляемом техническом решении предотвращение образования a-Si:H достигается его постоянным окислением за счет добавки в реакционную смесь воды или кислорода, обеспечивающего при взаимодействии с водородом эквивалентное количество воды согласно реакции:As the heat treatment proceeds, an increasing amount of α-silicon is formed. The constant removal of reaction products (water) from the interaction zone ensures the process only in the forward direction, although in reality it is reversible. In the claimed technical solution, the prevention of the formation of a-Si: H is achieved by its constant oxidation due to the addition of water or oxygen to the reaction mixture, which provides an equivalent amount of water when reacted with hydrogen according to the reaction:
2Н2+O2=2Н2O.2H 2 + O 2 = 2H 2 O.
В этом случае термообработка сопровождается двумя конкурирующими процессами. С одной стороны, идет взаимодействие диоксида кремния с водородом с образованием a-Si:H, а с другой - a-Si:H тут же окисляется парами воды до исходного диоксида. Поддержание скоростей данных процессов на одном и том же уровне обеспечивается выбором концентрации паров воды в реакционной смеси. Экспериментально установлено, что оптимальным интервалом концентраций воды в водороде является 0,5-3,0 объемных процентов, что соответствует примерно 0,25-1,5 объемных процентов кислорода. При этой концентрации обеспечивается пассивация межзеренных границ металлической пленки водородом и предупреждается образование электропроводной пленки а-Si:H на поверхности диэлектрика. Использование меньших концентраций воды или кислорода, например 0,1 объемного процента, не позволяет предотвратить образование пленки a-Si:H. Бóльшие же концентрации, например, соответствующие 5 объемным процентам воды, приводят к ухудшению электропроводности металлической пленки за счет ее окисления.In this case, heat treatment is accompanied by two competing processes. On the one hand, silicon dioxide interacts with hydrogen to form a-Si: H, and on the other hand, a-Si: H is immediately oxidized by water vapor to the initial dioxide. Maintaining the rates of these processes at the same level is ensured by the choice of the concentration of water vapor in the reaction mixture. It was experimentally established that the optimal range of water concentrations in hydrogen is 0.5-3.0 volume percent, which corresponds to approximately 0.25-1.5 volume percent oxygen. At this concentration, passivation of the grain boundaries of the metal film with hydrogen is ensured and the formation of an a-Si: H conductive film on the surface of the dielectric is prevented. The use of lower concentrations of water or oxygen, for example 0.1 volume percent, does not prevent the formation of a-Si: H films. Higher concentrations, for example, corresponding to 5 volume percent of water, lead to a deterioration in the electrical conductivity of the metal film due to its oxidation.
Таким образом, использование заявляемого способа для формирования кристаллической структуры металлической пленки системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов предупреждает образование на поверхности диэлектрика тонкой электропроводной пленки гидрогенизированного аморфного кремния, что обеспечивает повышение качества системы металлизации в целом.Thus, the use of the proposed method for forming the crystalline structure of a metal film of a metallization system of silicon semiconductor devices prevents the formation of a thin conductive film of hydrogenated amorphous silicon on the surface of the dielectric, which improves the quality of the metallization system as a whole.
Заявляемый способ был реализован при изготовлении приборов TL431M. Активные элементы структуры формировали стандартными методами в соответствии с требованиями действующей технической документации. В качестве межуровневой диэлектрической изоляции использовали различные диэлектрики на основе диоксида кремния. Конкретный тип диэлектрика указан в таблице. После вскрытия контактных окон на всю поверхность пластины наносили пленку сплава алюминия. Толщина полученной пленки и тип используемого сплава указаны в таблице. Далее стандартными методами формировали требуемый топологический рисунок токопроводящей системы и проводили ее термообработку для получения требуемой кристаллической структуры. Состав атмосферы термообработки и ее температурные и временные параметры указаны в таблице.The inventive method was implemented in the manufacture of devices TL431M. Active structural elements were formed by standard methods in accordance with the requirements of current technical documentation. As inter-level dielectric insulation, various dielectrics based on silicon dioxide were used. The specific type of dielectric is indicated in the table. After opening the contact windows, an aluminum alloy film was applied to the entire surface of the plate. The thickness of the obtained film and the type of alloy used are shown in the table. Then, by standard methods, the required topological pattern of the conductive system was formed and its heat treatment was performed to obtain the desired crystalline structure. The composition of the heat treatment atmosphere and its temperature and time parameters are indicated in the table.
Одновременно с рабочими формировали тестовые структуры для контроля параметров системы металлизации, в числе которых напряжение пробоя диэлектрической изоляции U1, напряжение U2, при котором ток через структуру достигал 1 нА, и энергия активации электромиграции. Наличие на поверхности диэлектрика a-Si:H оценивали по его смачиваемости в парах воды. Наличие эффекта «залечивания» наблюдали в микроскоп и непосредственно на экране прибора ПНХТ-1 в течение процесса измерения. На экране наблюдался всплеск тока и падение напряжения, а на структуре образовывалась темная точка (проплавленный дефект).Simultaneously with the workers, test structures were formed to control the parameters of the metallization system, including the breakdown voltage of the dielectric insulation U 1 , voltage U 2 at which the current through the structure reached 1 nA, and the activation energy of electromigration. The presence of a-Si: H on the dielectric surface was evaluated by its wettability in water vapor. The presence of the “healing” effect was observed under a microscope and directly on the PNHT-1 device screen during the measurement process. A current surge and voltage drop were observed on the screen, and a dark dot (melted defect) formed on the structure.
Затем проводили электрические измерения тестовых элементов и контроль функционирования полученных структур. Измерения электропараметров полученных структур проводили стандартными методами, контроль энергии активации электромиграции проводили в соответствии с [10]. Результаты контроля приведены в таблице. Значения U1 и U2 даны усредненными по пяти точкам на пластине.Then, electrical measurements of the test elements and control of the functioning of the resulting structures were performed. The electric parameters of the obtained structures were measured by standard methods, the activation energy of electromigration was controlled in accordance with [10]. The control results are shown in the table. The values of U 1 and U 2 are given averaged over five points on the plate.
Из приведенных данных видно, что заявляемый способ изготовления системы металлизации обеспечивает по сравнению с прототипом значительно большие напряжения U2, при которых ток через структуру достигает 1 нА. Этот параметр отражает величину утечек тока вследствие наличия электропроводящей пленки на поверхности диэлектрика. Эти напряжения для заявляемого способа близки к напряжению пробоя структур U1. Для прототипа же характерны относительно низкие (на ~200 В меньше по отношению к U1) значения U2, свидетельствующие о значительных утечках тока. Как видно из таблицы, этот факт хорошо согласуется со смачиваемостью поверхности диэлектрика и проявлением эффекта «залечивания». Отсутствие смачиваемости поверхности диэлектрика свидетельствует о наличии на ее поверхности инородной пленки, а наличие эффекта «залечивания» при пониженном напряжении U2 свидетельствует о повышенной дефектности диэлектрика. Энергия активации электромиграции во всех случаях практически одинакова, т.е. добавка в состав атмосферы термообработки воды или кислорода в заявленных количествах не ухудшает устойчивость системы металлизации к электромиграции. Использование заявляемого способа для изготовления системы металлизации позволяет избежать данных недостатков.From the above data it is seen that the claimed method of manufacturing a metallization system provides, in comparison with the prototype, significantly higher voltages U 2 at which the current through the structure reaches 1 nA. This parameter reflects the magnitude of current leakage due to the presence of an electrically conductive film on the surface of the dielectric. These voltages for the proposed method are close to the breakdown voltage of the structures U 1 . The prototype is characterized by relatively low (~ 200 V less with respect to U 1 ) U 2 values, indicating significant current leaks. As can be seen from the table, this fact agrees well with the wettability of the dielectric surface and the manifestation of the “healing” effect. The absence of wettability of the dielectric surface indicates the presence of a foreign film on its surface, and the presence of the “healing” effect at a reduced voltage U 2 indicates an increased defectiveness of the dielectric. The activation energy of electromigration is almost the same in all cases, i.e. adding to the composition of the atmosphere heat treatment of water or oxygen in the declared amounts does not impair the stability of the metallization system to electromigration. Using the proposed method for the manufacture of a metallization system avoids these disadvantages.
Таким образом, заявляемый способ изготовления системы металлизации кремниевых полупроводниковых приборов по сравнению с прототипом обеспечивает более высокое ее качество за счет снижения дефектности межуровневого диэлектрика и улучшения ее электрических характеристик.Thus, the inventive method of manufacturing a metallization system of silicon semiconductor devices in comparison with the prototype provides a higher quality by reducing the defectiveness of the inter-level dielectric and improving its electrical characteristics.
Источники информацииInformation sources
1. Валиев К.А., Орликовский А.А., Васильев А.Г., Лукичев В.Б. Проблемы создания высоконадежных многоуровневых соединений СБИС.// Микроэлектроника. 1990. Т.19. № 2. С.116-131.1. Valiev K. A., Orlikovsky A. A., Vasiliev A. G., Lukichev V. B. Problems of creating highly reliable multilevel VLSI connections. // Microelectronics. 1990.V.19. No. 2. S.116-131.
2. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. - М.: Советское радио, 1980. - 424 с.2. Stepanenko I.P. Fundamentals of Microelectronics. - M .: Soviet Radio, 1980 .-- 424 p.
3. Колосницын Б.С., Стешенко П.П., Шульгов В.В. Полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы: Учебное пособие. - Мн.: Амалфея, 2001. - 272 с.3. Kolosnitsyn B.S., Steshenko P.P., Shulgov V.V. Semiconductor Devices and Integrated Circuits: A Training Manual. - Мn .: Amalfey, 2001 .-- 272 p.
4. Парфенов О.Д. Технология микросхем: Учебное пособие для вузов по специальности «Конструирование и производство ЭВА». - М.: Высшая школа, 1986, - 320 с., ил.4. Parfenov O.D. Chip technology: Textbook for universities in the specialty "Design and production of EVA." - M.: Higher school, 1986, - 320 p., Ill.
5. Стриха В.И., Бузанева Е.В. Физические основы надежности контактов металл-полупроводник в интегральной электронике. - М.: Радио и связь, 1987. - 256 с.: ил.5. Striha V.I., Buzaneva E.V. The physical basis for the reliability of metal-semiconductor contacts in integrated electronics. - M.: Radio and Communications, 1987. - 256 p.: Ill.
6. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. - Минск: Высшая школа, 1989. - 238 с6. Dostanko A.P., Baranov V.V., Shatalov V.V. Film conductive VLSI systems. - Minsk: Higher school, 1989. - 238 p.
7. Колешко В.М., Белицкий В.Ф. Массоперенос в тонких пленках. - Минск: Наука и техника, 1980. - 296 с.7. Koleshko V.M., Belitsky V.F. Mass transfer in thin films. - Minsk: Science and technology, 1980. - 296 p.
8. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн.2. Пер. с англ./ Под ред. С.Зи. - М.: Мир. 1986. - 453 с. (с.188, прототип).8. VLSI technology: In 2 books. Book 2. Per. from English / Ed. S.Z. - M .: World. 1986.- 453 p. (p.188, prototype).
9. Глудкин О.П. Электрические методы исследования дефектности тонких диэлектрических слоев. // ОЭТ, сер.2, 1983, вып.2 (935), 21 с.9. Gludkin O.P. Electrical methods for studying the imperfection of thin dielectric layers. // MA, ser. 2, 1983, issue 2 (935), 21 p.
10. Стандарт отрасли ОСТ 1114.1012-99. Микросхемы интегральные.10. Industry standard OST 1114.1012-99. Integrated circuits.
Технические требования к технологическому процессу. Система и методы операционного контроля.Technical requirements for the process. System and methods of operational control.
Claims (1)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20051184 | 2005-12-01 | ||
| BYA20051184 | 2005-12-01 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2333568C1 true RU2333568C1 (en) | 2008-09-10 |
Family
ID=39867051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006142979/28A RU2333568C1 (en) | 2005-12-01 | 2006-12-04 | Method of making system for metal plating silicon semiconductor devices |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2333568C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU207482U1 (en) * | 2021-06-24 | 2021-10-29 | Акционерное общество "Микрон" (АО "Микрон") | SILICON BOARD FOR MULTI-CRYSTAL INTEGRATED MODULES |
-
2006
- 2006-12-04 RU RU2006142979/28A patent/RU2333568C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Технология СБИС, под ред. С.Зи, книга 2, М, Мир, 1986, с 188. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU207482U1 (en) * | 2021-06-24 | 2021-10-29 | Акционерное общество "Микрон" (АО "Микрон") | SILICON BOARD FOR MULTI-CRYSTAL INTEGRATED MODULES |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH03214717A (en) | Electrode for electric ceramic oxide apparatus | |
| KR101260612B1 (en) | Wiring layer structure and process for manufacture thereof | |
| CN105009295A (en) | Semiconductor device and manufacturing method for semiconductor device | |
| JPH0766921B2 (en) | Tungsten nitride thin film deposition method for silicon semiconductor device and two-layer metal wiring forming method using the same | |
| US7884010B2 (en) | Wiring structure and method for fabricating the same | |
| JP4008388B2 (en) | Film for semiconductor carrier, semiconductor device using the same, and liquid crystal module | |
| US6435398B2 (en) | Method for chemically reworking metal layers on integrated circuit bond pads | |
| RU2333568C1 (en) | Method of making system for metal plating silicon semiconductor devices | |
| US4022931A (en) | Process for making semiconductor device | |
| US11373934B2 (en) | Bonding wire for semiconductor device | |
| US8173905B2 (en) | Wiring structure and method for fabricating the same | |
| JPS6364057B2 (en) | ||
| KR0184634B1 (en) | Wiring structure of a semiconductor device with beta tungsten | |
| US20180366427A1 (en) | Method of Forming an Aluminum Oxide Layer, Metal Surface with Aluminum Oxide Layer, and Electronic Device | |
| US20100052171A1 (en) | Cu wire in semiconductor device and production method thereof | |
| KR20130094739A (en) | Method of forming thin film interconnect and thin film interconnect | |
| US20240006354A1 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| JP3116534B2 (en) | Method for manufacturing flip chip of integrated circuit device | |
| JPH06232128A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
| JP4550080B2 (en) | Semiconductor device and liquid crystal module | |
| KR100491310B1 (en) | Method for Preparing Metal Film for Semiconductor Interconnection | |
| JPH06302600A (en) | Semiconductor device | |
| Holloway | Application of surface analysis for electronic devices | |
| JP5863866B2 (en) | Method for suppressing migration of semiconductor carrier film | |
| JP5394649B2 (en) | Film for semiconductor carrier, semiconductor device using the same, and liquid crystal module |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091205 |