Спосіб формування низькоомних контактів в субмікронних к-мон-структурах великих інтегральних схем

Реферат: Спосіб формування низькоомних контактів в субмікронних К-МОН-структурах великих інтегральних схем включає операції хімічної обробки кремнієвих підкладок, оксидування, формування імплантацією самосуміщених стік-витокових областей, підзатворного діелектрика, міжшарової ізоляції, проекційної літографії та анізотропного плазмохімічного травлення функціональних шарів. Після розкриття контактних вікон і їх профілювання проводиться багатозарядна ретроградна іонна імплантація германію з енергією 20-150 кеВ та дозою 0,12 50 мкКл/см в залежності від глибини залягання p-n-переходів та концентрації високолегованих областей. UA 72058 U (54) СПОСІБ ФОРМУВАННЯ НИЗЬКООМНИХ КОНТАКТІВ В СУБМІКРОННИХ К-МОН-СТРУКТУРАХ ВЕЛИКИХ ІНТЕГРАЛЬНИХ СХЕМ UA 72058 U UA 72058 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів формування контактів інтегральних схем і може бути використана у мікроелектроніці. У корисній моделі подані результати досліджень і розробок мішеней із алюмінієвих сплавів, легованих рідкісноземельними металами та спосіб формування низькоомних контактів в субмікронних кремнієвих К-МОН-структурах великих інтегральних схем, що реалізується верхнім рівнем розводки. При зростанні ступеня інтеграції великих інтегральних схем виникає гостра проблема в подальшому зниженні контактного опору до стік-витокових областей та кремнієвої підкладки, що суттєво знижує швидкодію схем та термопольову стабільність параметрів при зниженні напруги живлення менше 1,5 В. Аналогом заявленому рішенню може бути спосіб формування контактів до К-МОН-структур великих інтегральних схем на основі алюмінієвого сплаву, легованого кремнієм (Беленький А.Я., Трахоннотовский А.Б., Чернов B.C. Свойства и применение мишеней для распыления//Электронная техника СВЧ. Материалы. - 1989 - Вып 8 (245) - С. 20-22). Алюміній і його сплави найбільш широко використовуються як провідні матеріали міжз'єднань напівпровідникових приладів та інтегральних схем. Це пов'язано із властивостями алюмінію: високою електро- і теплопровідністю, високою адгезією алюмінію і його сплавів до кремнію, стійкістю до дифузійних процесів, високою міцністю та технологічністю. Підвищення ступеня інтеграції і прецизійної обробки структур літографією пред'являє досить жорсткі вимоги до чистоти технологічного середовища і матеріалів, які використовують в технології формування структур ВІС. Важливість цієї проблеми показує, що 80 % дефектів, які виникають у виробництві ВІС пов'язані з металізацією розводки і контактів. Тому до матеріалів і технології отримання тонких плівок із алюмінію і його сплавів пред'являють високі вимоги як до чистоти вихідних матеріалів, так і до технологічного середовища, в якому формується плівка. В процесі формування металізації кремнієвих структур проводиться впалювання алюмінію в + + кремній для забезпечення низького контактного опору провідника, зокрема в легованих n - і р областях кремнію. Сам процес впалювання проводять у вигляді короткочасної обробки (5-30 хв при Т=420-450 °С) в інертному газовому середовищі (Аr, N 2). Утворення контакту проходить за рахунок відновлення алюмінієм тонкої оксидної плівки кремнію. В результаті такої реакції виділяється значна кількість тепла (220 мДж на 1 моль окису кремнію), що сприяє локальному перегріву контакту, що прискорює розчинення кремнію в алюмінієвій плівці та утворенню внаслідок різних значень температурного коефіцієнта розширення хілоків з розмірами, більшими 1 мкм. Така взаємна дифузія матеріалу Si-підкладки до алюмінієвої металізації та утворення хілоків приводить до закорочування дрібнозалягаючих p-n-переходів і відмов великих інтегральних схем та зниження їх надійності. Для виключення такого явища в алюмінієвий сплав вводять кремній, який запобігає взаємній дифузії але не виключає хілоків. Кількість такого кремнію в алюмінієвому сплаві складає . -5 1±0,5%. Крім цього кремній збільшує величину контактного опору на порядок до величини 5 10 . -6 . -2 10 Ом см. Прототипом заявленому рішенню може бути спосіб формування низькоомних контактів, які мають високу термопольову стабільність (Новосядлий С.П., Бережанський В.М. Багатозарядна іонно-імплантаційна обробка при формуванні кишень і металізації субмікронних структур ВІС // Металофізика і новітні технології – 2007 .- Т29. - №7 - С.857-866). Така технологія базується на формуванні контактів за рахунок утворення силіцидів перехідних та тугоплавких металів, які вводяться в контактні області іонною багатозарядною імплантацією. У прототипі формування низькоомних контактів в субмікронних К-МОН-структурах великих інтегральних схем здійснюють через виконання послідовності наступних операцій: виконують хімічну обробку кремнієвих підкладок, проводять оксидування, методом імплантації утворюють самосуміщені стік-витокові області, шар підзатворного діелектрику, формують міжшарову ізоляцію, застосовують проекційну літографію та плазмохімічне травлення функціональних шарів. Згідно з прототипом, як спосіб формування низькоомних контактів субмікронних К-МОН структур ВІС, який включає операції хімічної обробки кремнієвих підкладок, оксидування, формування імплантацією самосуміщених стік-витокових областей, підзатворного діелектрика, міжшарової ізоляції, проекційної літографії та анізотропного плазмохімічного травлення функціональних шарів. Силіциди притягують увагу внаслідок своєї високої провідності, яка близька до провідності металів і високої температурної стабільності. Наслідком зменшення лінійних розмірів структур ВІС є зменшення глибини залягання p-n-переходів, що значно ускладнює створення надійних низькоомних контактів. Мала глибина залягання обмежує, зокрема, застосування алюмінію, 1 UA 72058 U 5 10 15 20 який проявляє високу дифузійну здатність в кремній та здатність формувати хілоки. Формування силіцидів в контактних вікнах при взаємодії кремнієвої підкладки з тонкою металевою плівкою тугоплавких металів дозволяє отримувати контакти з низькими значеннями перехідного опору. А використання процесу локального нанесення шарів силіцидів безпосередньо в контактні вікна забезпечує перевагу збереження дрібнозалягаючих p-nпереходів, товщину яких може зменшити силіцид, який отримується шляхом реакції металу з кремнієм. Але недоліком такого прототипу є неможливість зменшення величини контактного . -6 . 2 опору менше 1 10 Ом см , що є дещо вищим або на рівні алюмінієвих контактів. Тепер розглянемо фізику металізації контактів та формування перехідного опору, на основі яких і розроблений наш спосіб формування низькоомних і стабільних контактів для кремнієвих субмікронних К-МОН структур великих інтегральних схем. Високоякісний контакт, який отримують зазвичай нанесенням металу на напівпровідник, не впливає на характеристики напівпровідникових приладів і є в певних межах стабільний як електрично, так і механічно. Крім того, його опір, який називається перехідним опором контакту, залежить від ряду факторів. Всі контакти металнапівпровідник мають свій потенціальний бар'єр, який приводить до ефекту випрямлення на контакті. Контакт тим кращий, чим менша висота бар'єру. Але один і той же метал не може мати низьку або близьку до нуля висоту бар'єра відносно до напівпровідника як n-, так і р- типу, що є важливим для К-МОН-структур. Метал, який має низький бар'єр на кремнії n-типу, буде вже утворювати високий бар'єр на кремнії р-типу, і навпаки. Ця проблема зазвичай успішно вирішується, якщо під шаром металу, що наноситься, вноситься тонкий сильнолегований шар напівпровідника. Тоді протікання струму забезпечується електронним тунелюванням через бар'єр і утворюється близький до омічного контакт. . 2 Питомий контактний опір RK(OM CM ) дається виразом: 25 Rk  30 35 dU dJ U const (1) і його можна визначити із вольт-амперних характеристик, побудованих в координатних осях густина струму J - напруга U. Величина RK досить сильно залежить від ступеня легування напівпровідника, що подано на фіг .1. Із даної фігури видно, що R K швидко зменшується із збільшенням концентрації легуючої домішки ND і зменшенням висоти бар'єра φΒ (фіг. 1). При 19 -3 достатньо високих значеннях ND  10 cм переважає струм, створений тунелюванням електронів через бар'єр, і величина RK стає малою. Крім того, перехідний питомий опір контакту залежить від температури. Чим вища температура, тим нижчий контактний опір. Однак температурна залежність суттєва тільки при низьких значеннях концентрації легуючої домішки. Перехідний питомий опір контакту R K визначають із вимірювань загального опору контактів різних розмірів за тестовими структурами. Загальний опір тоді є сумою опору розтікання (опору напівпровідника), перехідного опору контакту та інших величин опору, пов'язаних з іншою частиною тестової структури. Тоді величина загального опору Rt визначається формулою: 40 Rt  45 50   4t  4R  arctg    R0 , d  d  d2 (2) де  - питомий опір напівпровідникового матеріалу, d - діаметр контакту, в який можна завжди перерахувати квадрат; t - товщина напівпровідника; R0 - опір пов'язаний з тестовою схемою. Із графіка такої залежності можна отримати значення RК. Є інша модель перехідного контакту, коли останній розглядається як довга лінія передачі, і називається моделлю довгої лінії, в якій вертикальна структура шару напівпровідника не приймається до уваги, а розглядається контакт, де основна частина струму протікає головним чином в латеральному напрямі, що приводить до росту струму біля краю контакту. Згідно з цією моделлю, повний опір монолітного напівпровідникового резистора шириною w і довжиною  між двома контактами виражається формулою: R t  RS   2R O , w (3) 2 де RS - поверхневий опір дифузійного шару (Ом/см ), RKO - перехідний опір контакту. 2 UA 72058 U Якщо контакти мають ширину ω та довжину d і при цьому   w , тo вираз для RK0 приймає вигляд:     RK0  R S  R  1 / 2 /  ctg dRS / R  1 / 2 . 5 10 Таким чином, при збільшенні довжини контакту d величина RК0 наближається до значення . 1/2 (Rs Rk) /  і, так як відомі Rs і  , то можна розрахувати RK. Величину RК0 можна визначити також, вимірюючи Rt на резисторі з трьома аналогічними контактами (тобто одинаковими d і  ), які розміщені на різних відстанях 1, використовуючи вираз (3). Типова тестова структура для проведення вимірювань подана на фіг. 2. Тоді величинами Rt для контактів, розділених відстанями 1 1 і 12 є опори R1 і R2. З врахуванням цього контактний перехідний опір буде визначатись RK 0  15 20 25 30 35 40 45 50 (4) R 2  1  R1 2 . 2 1   2  (5) Є спеціальні тестові структури, які дозволяють з високою точністю визначати перехідний контактний опір. Зменшення розмірів структури ВІС до субмікронних призводить не тільки до зменшення глибини залягання p-n-переходу, але й до зменшення площі контактів і зростання перехідного опору, а значить зменшення швидкодії, бо кількість контактів зростає. Тому більшість розробників структур великих інтегральних схем ведуть пошук методів, направлених на зменшення перехідного контактного опору і підвищення його термопольової стабільності. Суть корисної моделі. Оскільки авторами була розроблена технологія багатозарядної іонної імплантації, яка успішно була використана для формування силіцидних контактів, нами запропоноване нове рішення низькоомних контактів в субмікронних кремнієвих К-МОН-структурах ВІС, яке включає в себе операції хімічної обробки кремнієвих підкладок, оксидування, формування імплантацією самосуміщених стік-витокових областей, підзатворного діелектрика, міжшарової ізоляції, проекційної літографії та анізотропного плазмохімічного травлення функціональних шарів. Після формування міжшарової ізоляції (це може бути поліімід, фосфоросилікатне чи борофосфоросилікатне скло) методом проекційної літографії розкриваються контактні вікна, в які після якісної хімічної обробки проводиться багатозарядна ретроградна імплантація германію 2 при енергії 20-150 кеВ і дозі 0,1-50 мкКл/см в залежності від глибини залягання р-n-переходів. Нижній рівень режиму іонної імплантації зумовлює отримання ретроградного контакту до сильнолегованих областей, а верхній рівень - для слаболегованих областей контактів К-МОНструктур. Завдяки тому, що густина германію, рухливість носіїв і власна концентрація носіїв заряду в германії більша в 2,5 разу та на 3 порядки ніж у Si, відповідно, то величину перехідного . -7 . 2 контактного опору можна знизити до величини 1 10 Ом см , використовуючи для металізації верхнього рівня алюмінієвий сплав алюміній-кремній-гольмій (АКГо-1-1). Тут рідкісноземельний метал гольмій пасивує зерна алюмінію та кремнію і не допускає росту хілоків. На заключному етапі формування структур ВІС проводиться літографія по металізації, створюючи верхній рівень розводки. А після впалювання контактів при Т=420 °С (10-15 хв) або 2 . 3 фотонним відпалом при густині потужності 10 – 4 10 Дж/см (1-10 с) проводиться осадження захисного шару із полііміду чи фосфорного скла з проведенням літографії на розкриття контактних площадок для термокомпресійного чи ультразвукового зварювання зовнішніх виводів на корпус чи стрічковий носій. Сформовані таким чином ретроградні (неоднорідні) контакти мають перехідний контактний . -7 . 2 опір на рівні 1 10 Ом см та високу термопольову стабільність, яка виключає хілокоутворення, а крок металізації зменшується до рівня  1,5 мкм. Перелік фігур креслення Фіг. 1. Залежність перехідного питомого опору контакту RK від концентрації домішки ND та висоти бар'єра φΒ. Фіг.2. Тестова структура для визначення перехідного опору контакту. Перелік використаної літератури 1. Беленький А.Я., Трахонотовский А.Б., Чернов B.C. Свойства и применение мишеней для распыления//Электронная техника С. 6. Материалы. - 1989 – Вып. 8 (245) - С. 20-22. 3 UA 72058 U 2. Новосядлий СП., Бережанський В.М. Багатозарядна іонно-імплантаційна обробка при формуванні кишень і металізації субмікронних структур ВІС // Металофізика і новітні технології 2007 – Т. 29. - №7 - С.857-866 3. Мьюрарка Ш.Силицыды для СБИС. – М.: Мир, 1986 - 176с. 5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 20 1. Спосіб формування низькоомних контактів в субмікронних К-МОН-структурах великих інтегральних схем, який включає операції хімічної обробки кремнієвих підкладок, оксидування, формування імплантацією самосуміщених стік-витокових областей, підзатворного діелектрика, міжшарової ізоляції, проекційної літографії та анізотропного плазмохімічного травлення функціональних шарів, який відрізняється тим, що після розкриття контактних вікон і їх профілювання проводиться багатозарядна ретроградна іонна імплантація германію з енергією 2 20-150 кеВ та дозою 0,1-50 мкКл/см в залежності від глибини залягання p-n-переходів та концентрації високолегованих областей. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що після іонної імплантації германієм та хімічної обробки контактних областей проводиться металізація верхнього рівня розводки магнетронним розпиленням алюмінієвого сплаву алюміній-кремній-гольмій (АКГо-1-1) з наступною літографією та фотонним впалюванням-активацією контактів. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що фотонне впалювання-активація контактів 2 . 3 2 виконується при потужності фотонного потоку 10 -4 10 Дж/см протягом 1-10 с. 4 UA 72058 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5