CC BY
41ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ TECHNOLOGICAL PROCESSES AND ROUTES
Обзорная статья
УДК 621.382.049.77:658.274
doi:10.24151/1561-5405-2023-28-2-164-179
Многоуровневая металлизация высокотемпературных кремниевых ИС на основе вольфрама. Физика и технология. Обзор
А. В. Тимаков, В. С. Горностай-Польский, В. И. Шевяков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Shev@dsd.miee.ru
Аннотация. В настоящее время к функциональным узлам ИС предъявляются все более жесткие требования. Одно из них - высококачественные межсоединения. Применение стандартных металлов не может в полной мере обеспечить работу приборов при температурах 200 °С и выше. Поэтому интерес представляют тугоплавкие металлы, например вольфрам. Он характеризуется высокими показателями электромиграционной стойкости, однако имеет низкую пластичность, что приводит к плохой адгезии к кремнию и растрескиванию материала, в связи с чем снижается эффективность его использования для металлизации межсоединений ИС. В работе на основе анализа литературных данных показано, что добавление рения в вольфрам обеспечивает получение пластичных проводниковых межсоединений, характеризующихся удовлетворительной адгезионной способностью. Установлено, что аналогичный рению эффект имеют титан и азот. Они также снижают механические напряжения в пленках вольфрама и повышают их адгезионную способность. Результаты анализа литературных источников позволяют сделать вывод, что межсоединения на основе вольфрама с различными легирующими примесями, такими как рений, титан и азот, могут применяться в качестве функционального материала межсоединений в высокотемпературной электронике.
Ключевые слова: металлизация, вольфрам, сплавы вольфрама, рениевый эффект, электромиграция, механические свойства, адгезия
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 22-29-01095).
Для цитирования: Тимаков А. В., Горностай-Польский В. С., Шевяков В. И. Многоуровневая металлизация высокотемпературных кремниевых ИС на основе вольфрама. Физика и технология. Обзор // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 164-179. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-164-179
© А. В. Тимаков, В. С. Горностай-Польский, В. И. Шевяков, 2023
Review article
Multilevel metallization of high-temperature silicon based on tungsten. Physics and technology. Review
A. V. Timakov, V. S. Gornostay-Polsky, V. I. Shevyakov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia Shev@dsd.miee.ru
Abstract. Currently, the increasingly higher requirements are imposed upon functional nodes of ICs. One of these requirements is interconnection metallization. The use of ordinary metals cannot fully enable devices operation at temperatures 200 °C and above. Therefore refractory metals, for example tungsten, are advantageous. Tungsten is characterized by increased electromigration resistance; however, it is a brittle, rigid material with a low adhesive ability to silicon and silicon oxide. This reduces the efficiency of its use for IC interconnection metallization. In this work, it was shown based on the analysis of the literature that the addition of rhenium to tungsten provides the production of yielding conductive interconnections characterized by satisfactory adhesion ability. It has been established that titanium and nitrogen have an effect similar to rhenium. These materials also reduce mechanical stresses in tungsten films and increase their adhesive ability. Results of literature sources analysis allow for the conclusion that the interconnections based on tungsten with various dopants such as rhenium, titanium and nitrogen can be used as functional material in high-temperature electronics.
Keywords: metallization, tungsten, tungsten alloys, rhenium effect, electromigration, mechanical properties, adhesion
Funding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (project No. 22-29-01095).
For citation: Timakov A. V., Gornostay-Polsky V. S., Shevyakov V. I. Multilevel metallization of high-temperature silicon 1С based on tungsten. Physics and technology. Review. Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 2, pp. 164-179. https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2023-28-2-164-179
Введение. В настоящее время разрабатываются и производятся кремниевые полупроводниковые приборы и ИС, которые могут функционировать при температуре 200 °С и выше [1-15]. Применение изделий высокотемпературной кремниевой микроэлектроники и микросистемной техники в оборудовании, эксплуатируемом при высоких рабочих температурах, позволит обеспечить надежность функционирования, например, нефтеперерабатывающих заводов, авиакосмической техники, авто- и электромобилей, атомных и тепловых электростанций и т. д.
На сегодняшний день существует спрос на создание высокотемпературных ИС, где необходима высокотемпературная металлизация, для которой подходят тугоплавкие металлы, в частности вольфрам. Он имеет высокую электромиграционную стойкость, но при этом формирование его тонких пленок значительно осложнено из-за его плохих механических свойств (низкая пластичность и адгезия к кремнию).
Одно из основных требований к функциональным узлам ИС - высококачественные межсоединения, на которые налагаются жесткие требования (увеличение электромиграционной стокойкости, химическая инертность материала с окружающими его слоями, низкий уровень старения материала). В настоящей работе приводятся результаты анализа современного состояния технологии кремниевых ИС и сведения по использованию многоуровневой металлизации.
Физика функционирования кремниевых МОП-транзисторов при повышенных температурах. Рабочий диапазон температуры активных элементов интегральной микро- и наноэлектроники, сформированных в объеме полупроводника, связан с шириной запрещенной зоны полупроводника [16]. Для каждого из полупроводников существует предельная температура, выше которой негативное влияние на функционирование устройств начинает оказывать собственная проводимость полупроводника. У кремния ширина запрещенной зоны составляет 1,12 эВ, а у таких полупроводников, как карбид кремния и нитрид галлия, ширина запрещенной зоны равна 3,3 и 3,4 эВ соответственно. Устройства на основе данных полупроводников могут функционировать при температурах выше 600 оС. Однако только для кремния характерна высокоразвитая технология получения кремниевых подложек. В настоящее время формируют подложки диаметром 400 мм. Широко освоены технологии создания на основе кремния полупроводниковых приборов и ИС высокой степени интеграции. Такие изделия сравнительно дешевые. Актуальным является вопрос расширения температурного диапазона функционирования кремниевых устройств.
Собственная концентрация носителей заряда щ в полупроводнике описывается выражением [17]
16 3 (-ес (0)^
п = 3,9-1016 • Т2 • ехр -,
' р ^ 2кТ )
где Т - температура; £а(0) - ширина запрещенной зоны полупроводника; к - постоянная Больцмана.
Для сильнолегированного полупроводника п-типа проводимости концентрация основных носителей заряда п0 определяется как п^р^ = п2. Для невырожденного равновесного полупроводника условие электронейтральности следующее:
п0 + N = Ро + N,
где Ыл и Ыв - концентрации акцепторной и донорной примесей соответственно.
Из данного уравнения для п0 при Ыл = 0 получаем выражение для определения концентрации основных носителей заряда:
1
n0 к — 0 2
+ 4 П + Nd
На рис. 1 представлены зависимости собственной концентрации носителей заряда п , а также концентрации основных носителей заряда п0 для полупроводника п-типа в зависимости от температуры и концентрации легирующей примеси Ыв. Как следует из рисунка, при температуре ниже температуры перехода концентрация основных носителей практически не зависит от температуры. Она определяется концентрацией легирующей примеси. При повышении температуры этот параметр зависит от нее экспоненциально.
ИС должны работать в диапазоне температур ниже температуры перехода. Этого можно достичь, повышая концентрацию легирующей примеси. Однако такой подход ограничен в связи с критическим увеличением токов утечки, поэтому необходимо уменьшить ток утечки для работы транзисторов при повышенных температурах. Еще один ограничивающий фактор - снижение порогового напряжения транзисторов с повышением температуры. Критически низкое значение данного параметра может привести к несвоевременному открытию транзистора, в результате чего микросхема будет работать нестабильно. Значительный вклад в ток утечки также вносит подпо-роговый ток, который увеличивается при уменьшении порогового напряжения транзистора. Поэтому необходимо обеспечить транзистору достаточное пороговое напряжение при высоких температурах.
На рис. 2 приведена зависимость порогового напряжения КНИ МОП-транзистора от температуры [17]. При температуре 400 °С пороговое напряжение снижается до значений порядка сотен микровольт. В этом случае значительно увеличивается подпоро-говый ток утечки. В работе [17] экспериментально установлена зависимость подпоро-гового тока утечки и тока утечки р-и-перехода при температурах 50-400 °С.
На рис. 3 представлены входные ВАХ и-канального КНИ КМОП-транзистора (комплементарная логика, основанная на МДП-транзисторах) в зависимости от температуры [17]. При работе транзистора в диапазоне низких температур (до 100 °С) ток утечки составляет порядка 1 пА. Повышение температуры до 400 °С приводит к увеличению его значения до 0,5 мкА. Таким образом, как следует из рис. 3, при повышенных температурах преобладает подпороговый ток утечки, и его снижение - главная задача КНИ-структур. Стабильная работа таких приборов возможна только в режимах сильной
/___I ~
400 500 600 700 800
Т, К
Рис. 1. Зависимость концентрации основных и собственных носителей заряда от температуры при различной концентрации легирующей примеси
(Nd^-ND^NDJ [17] Fig. 1. Dependence of the concentration of the main and proper charge carriers on temperature at different concentrations of dopant (NDl <ND2<ND3) [17]
50 100 150 200 250 300 300 400 450
T, °c
Рис. 2. Зависимость порогового напряжения КНИ МОП-транзистора от температуры [17] Fig. 2. Dependence of threshold voltage SOI MOS transistor on temperature [17]
400 °C
/750 °<
•2-10 1 2
Напряжение затвор - исток В
Рис. 3. Входные ВАХ и-канального КНИ КМОП-транзистора для температур от 50 до 400 °С [17] Fig. 3. Input volt-ampere characteristics of the n-channel SOI CMOS transistor for temperatures from 50 to 400 °C [17]
инверсии, но требования к работе устройств обусловлены не только работой самого транзистора, но и возможностью его управления посредством металлических коммутирующих межсоединений.
Современное состояние технологии многоуровневой металлизации ИС. Металлизация ИС - это консервативный функциональный слой, поскольку является основным сдерживающим фактором при масштабном уменьшении элементов ИС. Миниатюризация логических элементов приводит к повышению их быстродействия, однако металлизация имеет и обратный эффект, так как уменьшение поперечного сечения проводника влечет за собой увеличение сопротивления. Еще один негативный эффект заключается в уменьшении расстояния между проводниками, в результате чего увеличиваются паразитные емкости. В связи с указанными недостатками при достижении критического уровня интеграции влияние металлизации на быстродействие становится определяющим, а задержки при коммутации могут превышать время работы самих логических элементов. Уменьшение толщины проводников приводит к снижению электромиграционной стойкости. Соответственно, возникают новые технологические проблемы, связанные со сложностью травления при минимальных размерах. Уменьшение размеров элементов приводит к увеличению переходных сопротивлений.
При современных технологических подходах рассматривается многоуровневая металлизация ИС. Приведем данные по изменению количества уровней металлизации в соответствии с годом разработки СБИС: 2012 г. - 12; 2014 г. - 13; 2016 г. - 13; 2018 г. -14; 2019 г. - 14; 2022 г. - 15. Формирование многоуровневой системы металлизации осложняется планаризацией слоев ИС.
В связи с проблемами создания металлизации ИС возникает необходимость разработки новых технологических решений. На сегодняшний день сформированы универсальные подходы к проектированию и производству элементов межсоединений и проводников в целом. Выделяют такие функциональные элементы многоуровневой металлизации, как контактная система, межсоединения, внутренний и межслойный диэлектрики, контакт между уровнями, пассивационные слои, контактные площадки.
Для создания системы металлизации КМОП ИС с субмирокронными и нанометровы-ми минимальными размерами применяют технологию Salicide, обеспечивающую формирование силицидных малопроникающих термостабильных омических контактов к кремнию. Данная технология представляет собой одновременное формирование самосовмещенных с исток-стоковыми областями силицидных контактов и полицидных затворов [18]. Последовательность операций технологии Salicide при создании контактной металлизации в структуре ^-канального кремниевого МОП-транзистора проиллюстрирована на рис. 4.
После формирования затворной области и самосовмещенных с границами затворной области исток-стоковых участков осаждают слой диэлектрика и проводят его реактивно-ионное травление, полностью удаляя диэлектрик с латеральных областей и тем самым формируя по периферии локальных поликремниевых затворных областей оксидные участки (спейсеры) (рис. 4, а). Далее формируют металлический слой Т (рис. 4, б), проводят термообработку с целью образования в твердой фазе слоя силицида титана Т1Б12 в тех областях, которые прилегают к кремнию. Затем селективно удаляют непрореагировавшие остатки металла (рис. 4, в). Полицидная область, представляющая собой двухслойное покрытие (силицид, легированный поликристалический кремний), обеспечивает приемлемую электрическую проводимость. Спейсеры обеспечивают электрическую изоляцию участков силицида на исток-стоковых и затворной областях.
в
Рис. 4. Последовательность операций технологии Salicide [18] Fig. 4. Sequence of operations of the Salicide technology [18]
В качестве материалов силицидных слоев применяют один из трех - СoSi2,
NiSi [18]. При субмикронных минимальных размерах активных элементов ИС более 0,18 мкм используют TiSi2, имеющий минимальное удельное объемное сопротивление из всех известных силицидов. При меньших размерах используют СoSi2, а при размерах менее 65 нм - NiSi. Применение СoSi2 и NiSi обусловлено прежде всего тем, что при их твердофазном силицидообразовании протекает хемоэпитаксиальный процесс, в результате которого образуются монокристаллические слои силицидов. Они характеризуются более качественной границей раздела с кремнием и поликремнием. Отсутствие в них, в отличие от поликристаллических материалов, границ зерен обеспечивает их повышенную устойчивость к взаимному проникновению материала межсоединения и кремния. Переход к NiSi обусловлен меньшим потреблением кремния при формировании слоя силицида (таблица).
Расход кремния при образовании силицидов металлов Consumption of silicon in the formation of metal silicides
Металл Силицид Количество кремния на 1 нм металла, нм Толщина образованного силицида на 1 нм металла, нм
Ti TiSi2 2,28 2,60
Hf HfSi2 1,71 2,12
Co CoSi2 3,61 3,52
Ni NiSi 1,83 2,36
После формирования силицидного слоя создаются остальные элементы многоуровневой металлизации. В качестве материала межсоединений используется алюминий с примесями Si*(1-2 %) или Си (1-2 %). Кремний и медь, концентрируясь на гра-
нице зерен алюминия, затрудняют перемещение ионов металла. Таким образом, повышается электромиграционная стойкость. Алюминий применяется в металлизации ИС с минимальными размерами до 0,13 мкм, медь - в схемах с меньшими размерами. Применение в качестве материала межсоединений меди обусловлено ее более высокой проводимостью. Кроме того, при более высокой температуре плавления медные проводники имеют повышенную электромиграционную стойкость.
На рис. 5 представлена многоуровневая металлизация ИС на примере металлизации с алюминиевыми межсоединениями. На кремниевой подложке со сформированными в ней исток-стоковыми и затворной областями МОП-структуры в соответствии с техно-логиией Salicide создают силицидные контакты к исток-стоковым областям и полицид-ную затворную область (рис. 5, а, б). На следующей стадии формируют межслойный диэлектрик путем его осаждения и дальнейшей химико-механической полировки (рис. 5, в). Этот этап предшествует фотолитографии, с помощью которой вскрываются контактные окна к силициду и полициду областей стока-истока затвора. Затем применяют метод физического вакуумного осаждения (PVD), конформно формируя тонкий диффузионно-барьерный слой (ДБС), например, из нитрида титана TiN, далее методом химического осаждения из газовой фазы (CVD) - слой вольфрама (рис. 5, г). Данный метод позволяет беспустотно заполнить протравленные окна в диэлектрике вольфрамом (алюминием беспустотно заполнить затруднительно). Необходимо провести глобальную планаризацию, удаляя материал ДБС с поверхности, в результате чего остаются изолированные проводящие слои вольфрама, находящиеся в окружении ДБС. Осаждением алюминия с легирующими примесями и литографией формируют первый слой металлизации (рис. 5, д), который покрывается межуровневым диэлектриком (рис. 5, е). После первого уровня межслойного диэлектрика осуществляют планариза-цию, далее формируют второй уровень. Вскрытие окон в диэлектрике проводят с помощью литографии, методом химического осаждения из газовой фазы осаждают вольфрам, затем формируют второй уровень металлизации из алюминия (рис. 5, ж). Все остальные уровни металлизации имеют аналогичное технологическое решение.
Для технологии Damascene с многоуровневой металлизацией, где материалом межсоединений является медь, первый уровень формируют так же, как и алюминиевой (см. рис. 5, а-г). Различия наблюдаются на следующих этапах. Вопрос создания проводников из меди в отличие от алюминиевых решают путем формирования внутриуровневого слоя диэлектрика с дальнейшей его фотолитографией и травлением. Получившийся рисунок конформно заполняют материалом ДБС, на следующем этапе электрохимически осаждают медь. После данных технологических операций поверхность планаризуется, в результате чего формируются проводящие медные слои, окруженные ДБС. Важный фактор для металлизации на основе меди - формирование ДБС для всех ее слоев. Этот металл в значительной степени диффундирует в активные зоны полупроводников, вызывая их деградацию.
Описанные технологии обеспечивают решение основных проблем многогоуровне-вой металлизации: формирование малопроникающих омических контактов к мелкоза-легающим в кремнии легированным областям, планаризация рельефа системы металлизации, обеспечение приемлемой электромиграционной стойкости проводниковых межсоединений.
Рис. 5. Схема формирования многоуровневой многослойной системы металлизации с межсоединениями на основе алюминия [18] Fig. 5. Diagram of the formation of a multilevel multilayer metallization system with aluminum-based interconnects [18]
Вольфрам как материал функциональных слоев ИС. Свойство вольфрама конформно и полностью заполнять углубления с высоким аспектным отношением используют при создании перспективных устройств силовой электроники - транзисторных МД11-структур с вертикальным каналом, характеризующихся повышенным пробивным напряжением. Особенность их конструкции связана с наличием металлических контактов с высоким аспектным отношением к заглубленным в кремнии истоковым, стоковым и затворной областям [1, 19]. Металлические контакты включают в себя диффузионно-барьерный слой, расположенный по периферии в углублениях, и заполняющий углубления слой вольфрама. На рис. 6 приведено поперечное сечение указанной структуры.
Б в Б
TiN TiN TiN
D
Рис. 6. Поперечное сечение транзисторной МДП-структуры с вертикальным каналом [19] Fig. 6. Cross section of a MIS transistor structure with a vertical channel [19]
В ИС с минимальными размерами (0,8 мкм и выше) применяют сплав вольфрама с титаном в системе металлизации в качестве слоя диффузионного барьера, обеспечивающего тепловую устойчивость металлизации вплоть до 550 °С [20-22]. Приведем примеры формирования тонких пленок диффузионного барьера на основе сплавов вольфрама [20]. Магнетронным распылением оригинальной мишени, содержащей вольфрам и титан, в среде аргона обеспечивают осаждение тонких пленок двухкомпо-нентного сплава состава: титан 35-40 ат. %, вольфрам - остальное. Магнетронным распылением в среде аргона оригинальной мишени, содержащей вольфрам, кремний и титан, обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава: кремний 0,1-1,3 мас. %, титан 11-33 мас. %, вольфрам - остальное. Данные пленки отличаются повышенной стойкостью к электромиграции [21]. Магнетронным распылением в среде аргона оригинальной мишени, содержащей вольфрам, рений, титан, обеспечивают осаждение тонких пленок трехкомпонентного сплава состава: рений 0,04-9,78 мас. %, титан 2,5-37 мас. %, вольфрам - остальное [22]. Данные пленки характеризуются пониженным уровнем механических напряжений.
Многоуровневая металлизация ИС с межсоединениями на основе вольфрама и его сплавов. Одним из основных требований к материалу межсоединений высокотемпературных кремниевых ИС является повышенная электромиграционная стойкость, которая зависит от многих факторов, в первую очередь от внешней температуры и температуры плавления материала проводников [23]. C ростом температуры процесс электромиграции ионов материала проводников усиливается. Чем выше температура плавления материала проводников, тем выше электромиграционная стойкость. В этой связи используемые в настоящее время в качестве материала межсоединений алюминий и медь не отвечают указанным требованиям. Температура плавлении алюминия 650 оС, меди - 1083 °С. Кроме того, при использовании меди активизируется процесс ее миграции через объем диэлектрика к поверхности кремния.
В последнее время исследователи стали проявлять интерес к вольфраму, температура плавления которого выше 3000 оС. Так, немецкие исследователи продемонстрировали создание субмикронных КНИ КМОП-структур для высокотемпературных кремниевых ИС с вольфрамовыми межсоединениями трехуровневой металлизации [3]. На рис. 7 приведено поперечное сечение такой структуры. Отмечено, что транзисторные структуры работоспособны при температуре 200 °С.
Рис. 7. Поперечное сечение КНИ КМОП-структуры [3] Fig. 7. Cross section of the CMOS SOI structure [3]
В работе [9] описана технология создания высокотемпературных ИС с многоуровневой металлизацией. Данная технология включает в себя осаждение диэлектрических и проводящих слоев, литографию и травление канавок, нанесение ДБС, формирование зародышевого слоя и химико-механическую планаризацию. Важным отличием от описанных технологических решений является формирование горизонтальных и вертикальных вольфрамовых проводников, полностью окруженных ДБС. Формирование металлизации начинается с осаждения слоя вольфрама на ДБС, затем проводят химико-механическую планаризацию и травление металла для создания канавок, которые заполняются ДБС и диэлектриком. Таким образом, реализуется технология формирования горизонтальных вольфрамовых проводников. Для вертикальных проводников не-
обходимы осаждение нового слоя ДБС на лежащем ниже слое вольфрама, а затем, как и для горизонтальных проводников, осаждение металла, его химико-технологическая планаризация, травление и заполнение канавок ДБС и диэлектриком. На рис. 8 приведен пример первого уровня многоуровневой металлизации вольфрама со сформированными вертикальными проводниками.
//////Л ж w //// у//////////////////////// m w //// Y///////Z /
'///////////, w ',/////////// w
/ / s TiN Si02 Sl
Рис. 8. Поперечное сечение фрагмента многоуровневой системы металлизации высокотемпературных ИС с межсоединениями на основе вольфрама [9] Fig. 8. Cross section of a fragment of a multilevel metallization system of high-temperature ICs with tungsten-based interconnects [9]
В работе [13] рассмотрена трехуровневая металлизация. В качестве проводников применяли алюминий, титан, нитрид титана и вольфрам. Вольфрам осаждали из газовой фазы (Р"УВ). Подбор технологических режимов операции направлен на увеличение конформности заполнения переходных отверстий и снижение внутренних механических напряжений в слоях металла.
В работе [24] исследованы высоковольтные ЬВМОБ-транзисторы. Данные устройства созданы по КНИ-технологии совместно с низковольтными КМОП-схемами. Вольфрам применяли в качестве межсоединений. Проведены исследования при температурах от -60 до +300 °С и в условиях ионизирующего излучения. Отмечена стабильная работа ЬВМОБ-транзисторов в экстремальных внешних условиях.
Однако вольфрам имеет существенный недостаток, связанный с его механическими свойствами. Это очень твердый, но хрупкий материал. Кроме того, из-за разных коэффициентов температурного расширения вольфрама и кремния система тонкая вольфрамовая пленка - кремний, покрытый оксидом кремния, характеризуется значительным уровнем встроенных механических напряжений. У тонких пленок вольфрама невысокая адгезионная способность к кремнию и оксиду кремния, что снижает эффективность их использования для создания межсоединений в металлизации ИС.
Изменение пластичности вольфрама за счет включения в его состав рения называется рениевым эффектом (впервые обнаружен в 1955 г. английскими учеными), сущность которого до сих пор недостаточно изучена. Согласно работе [25] очищение вольфрама не решает проблему наличия в нем углерода, который, имея низкое значение растворимости в тугоплавком металле, является негативной примесью, снижая пластичность пленок. Он занимает межзерные границы в карбидных фазах. При добавлении рения в состав вольфрама углерод удаляется с границ зерен, что и изменяет
механические свойства данного тугоплавкого металла. Но никаких экспериментальных подтверждений данного положения не представлено.
В работе [12] проведено исследование легирования вольфрама рением (5 %) на свойства тонких пленок. На рис. 9 показано распределение механических напряжений в структурах вольфрам - кремний и легированный рением вольфрам - кремний. На рис. 10 приведены результаты испытаний на отказ при высокотемпературных режимах.
Рис. 9. Распределение механических напряжений в латеральном направлении в структурах
W-Si и W(Re)-Si [12] Fig. 9. Mechanical stress distributions in the lateral direction in the W-Si and W(Re)-Si structures [12]
Рис. 10. Зависимость сопротивления проводников от времени при ускоренных испытаниях
при различных температурах [12] Fig. 10. Dependence of the resistance of conductors on time during accelerated tests at different temperatures [12]
Полученные результаты подтверждают, что легирование тонких пленок вольфрама рением снижает уровень механических напряжений. Установлено значительное повышение электромиграционной стойкости пленок вольфрама по сравнению с медными и алюминиевыми и повышение адгезионных свойств. Усилие на отрыв пленки вольфрама с рением превосходит аналогичный параметр для пленки чистого вольфрама в три раза.
В работе [26] исследован процесс взаимодействия компонентов бинарных сплавов, осажденных на подложку. Сделано предположение, что один из компонентов может диффундировать с границ зерен в объем зерен или в подложку. Связано это с энергией сублимации различных элементов, составляющих сплав. Данный эффект наблюдается у компонента с большей энергией. Такое влияние можно обнаружить и в тонких пленках вольфрама. Углерод может быть вытеснен с границ зерен в их объем с повышением его предельной растворимости в тугоплавком металле.
В работах [1, 7] рассмотрено осаждение аналогичных рению материалов исходя из показателей энергии сублимации. Обнаружены титан и азот в качестве легирующей примеси. Достигнуты удовлетворительные показатели усилия на отрыв, а также электромиграционной стойкости, что свидетельствует о снижении уровня встроенных механических напряжений.
Заключение. Результаты анализа литературных источников позволяют констатировать перспективность применения вольфрама в качестве материала межсоединений и металлизации в целом для высокотемпературных ИС.
Добавление рения в вольфрам обеспечивает получение пластичных проводниковых межсоединений, характеризующихся удовлетворительной адгезионной способностью. Аналогичный рению эффект имеют титан и азот. Они также снижают механические напряжения в пленках вольфрама и повышают их адгезионную способность.
Литература
1. Timakov A. V., Shevyakov V. I. Investigation of the electrophysical and mechanical properties of metallization based on alloys W with Re, Ti, N for high-temperature silicon VLSI // Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics. 2022. Vol. 12157. Art. ID: 1215719. https://doi.org/10.1117/12.2624348
2. Пат. 2775446 РФ. Способ получения тонких металлических пленок на основе вольфрама / В. С. Горностай-Польский, А. В. Тимаков, В. И. Шевяков; заявл. 21.12.2022; опубл. 30.06.2022, Бюл. № 19. 7 с.
3. High-temperature ICs // Fraunhofer-Institut fur Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS [Электронный ресурс]. URL: https://www.ims.fraunhofer.de/en/searchhtml?_charset_=UTF-8&numberResults= 10&page=1 &scope=IMS&language=en&lang=en&query String=High-Temperature+ICs (дата обращения: 20.08.2022).
4. High temperature SOI CMOS technology (H035) // Fraunhofer-Institut fur Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS [Электронный ресурс]. URL: https://www.ims.fraunhofer.de/en/ Business_Units_and_Core_Competencies/High-Temperature-Electronics/Technologies/HT-SOI-CMOS.html (дата обращения: 10.08.2022).
5. Effect of film deposition rate on the thermoelectric output of tungsten-rhenium thin film thermocouples by DC magnetron sputtering / B. Tian, Z. Liu, Z. Zhang et al. // J. Micromech. Microeng. 2020. Vol. 30. No. 6. Art. No. 065004. https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab8607
6. Influence of thickness and sputtering pressure on electrical resistivity and elastic wave propagation in oriented columnar tungsten thin films / A. Chargui, R. El Beainou, A. Mosset et al. // Nanomaterials. 2020. Vol. 10. Iss. 1. Art. No. 81. https://doi.org/10.3390/nano10010081
7. Белов А. Н., Голишников А. А., Костюков Д. А., Шевяков В. И. Металлизация высокотемпературных кремниевых ИС на основе сплава вольфрама с титаном // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 24. № 1. С. 22-29. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2019-24-1-22-29
8. Effect of heat treatment on thermoelectric properties of tungsten-rhenium thin-film thermocouples by RF magnetron sputtering / Z. Zhang, B. Tian, Z. Du et al. // AIP Advances. 2018. Vol. 8. Iss. 12. Art. No. 125113. https://doi.org/10.1063/L5074126
9. Пат. 2611098 РФ. Способ формирования системы многоуровневой металлизации на основе вольфрама для высокотемпературных интегральных микросхем / А. С. Бенедиктов, П. В. Игнатов,
B. А. Гвоздев; заявл. 09.12.2015; опубл. 21.02.2017, Бюл. № 6. 10 с.
10. Measurement study of residual stress on tungsten-rhenium thin film thermocouples by nanoindentation technology / B. Tian, Q. Yu, Z. Zhang et al. // 2017 IEEE 12th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). Los Angeles, CA: IEEE, 2017. P. 800-803. https://doi.org/ 10.1109/NEMS.2017.8017139
11. Choi D., Barmak K. On the potential of tungsten as next-generation semiconductor interconnects // Electron. Mater. Lett. 2017. Vol. 13. Iss. 5. P. 449-456. https://doi.org/10.1007/s13391-017-1610-5
12. Tungsten alloyed with rhenium as an advanced material for heat-resistant silicon ICs interconnects / A. N. Belov, Yu. A. Chaplygin, A. A. Golishnikov et al. // Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics. 2016. Vol. 10224. Art. ID: 1022404. https://doi.org/10.1117/12.2264789
13. Многоуровневая металлизация для высокотемпературной микроэлектроники / С. И. Бабкин,
C. И. Волков, К. С. Есенкин и др. // Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 2016. № 2 (241). C. 33-44.
14. Watson J., Castro G. A review of high-temperature electronics technology and applications // J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2015. Vol. 26. Iss. 12. P. 9226-9235. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3459-4
15. Watson J., Castro G. High-temperature electronics pose design and reliability challenges // Analog Dialogue. 2012. Vol. 46 (2). P. 3-9.
16. Старосельский В. И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники. М.: Юрайт: Высшее образование, 2009. 463 с.
17. Shoucair F. S. Potential and problems of high-temperature electronics and CMOS integrated circuits (25-250 °C) - an overview // Microelectronics Journal. 1991. Vol. 22. Iss. 2. P. 39-54. https://doi.org/ 10.1016/0026-2692(91)90024-H
18. Громов Д. Г., Мочалов А. И., Сулимин А. Д., Шевяков В. И. Металлизация ультрабольших интегральных схем. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 277 с.
19. Горностай-Польский В. С., Шевяков В. И. Исследование влияния плазменной обработки на свойства сформированных химическим осаждением из газовой фазы тонких пленок нитрида титана // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 715-722. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-715-722
20. Пат. 2352684 РФ. Вольфрам-титановая мишень для магнетронного распыления и способ ее получения / В. Г. Глебовский, Е. Д. Штинов, О. С. Кочетов; заявл. 03.08.2007; опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11. 8 с.
21. Пат. 2454481 РФ. Способ получения составной мишени для распыления из сплава вольфрам -титан - кремний / В. Г. Глебовский; заявл. 03.06.2010; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18. 6 с.
22. Пат. 2454482 РФ. Способ получения составной мишени для распыления из сплава вольфрам -титан - рений / В. Г. Глебовский; заявл. 03.06.2010; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18. 6 с.
23. Safonov S. O., Bespalov V. P., Golishnikov А. А., Putrya M. G. Estimating the reliability of aluminum metallization of integrated circuits by accelerated electromigration testing at constant temperature // Russ. Microelectron. 2015. Vol. 44. Iss. 7. P. 453-459. https://doi.org/10.1134/S1063739715070148
24. Высоковольтные LDMOS транзисторы на КНИ структуре для экстремальной электроники / С. И. Бабкин, С. И. Волков, А. А. Глушко и др. // Микроэлектроника. 2020. T. 49. № 4. С. 304-313. https://doi.org/10.31857/S0544126920030023
25. Сплавы тугоплавких металлов. URL: https://studref.com/350287/tehnika/splavy_tugoplavkih_metallov (дата обращения: 20.09.2022).
26. Gromov D. G., Mochalov A. I., Pugachevich V. P., Sorokin I. N. Interaction between binary alloy thin films and silicon substrate: The conditions of bilayer formation and the effect of additional component // Appl. Phys. A. 2000. Vol. 70. P. 333-340. https://doi.org/10.1007/s003390050056
Обзор поступил в редакцию 04.10.2022 г.; одобрен после рецензирования 27.12.2022 г.;
принят к публикации 06.02.2023 г.
Информация об авторах
Тимаков Алексей Валерьевич - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), aletimakov@yandex.ru
Горностай-Польский Вадим Станиславович - аспирант кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), vad00711@gmail.com
Шевяков Василий Иванович - доктор технических наук, профессор кафедры интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), shev@dsd.miee.ru
References
1. Timakov A. V., Shevyakov V. I. Investigation of the electrophysical and mechanical properties of metallization based on alloys W with Re, Ti, N for high-temperature silicon VLSI. Proc. SPIE. International Conference on Micro- andNano-Electronics, 2022, vol. 12157, art. ID: 1215719. https://doi.org/10.1117/12.2624348
2. Gornostaj-Polskij V. S., Timakov A. V., Shevyakov V. I. Method for obtaining thin metal films based on tungsten. Patent 2775446 RF, publ. 30.06.2022, Bul. No. 19. 7 p. (In Russian).
3. High-temperature ICs. Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Available at: https://www.ims.fraunhofer.de/en/search.html?_charset_=UTF-8&numberResults=10&page=1&scope= IMS&language=en&lang=en&queryString=High-Temperature+ICs (accessed: 20.08.2022).
4. High temperature SOI CMOS technology (H035). Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Available at: https://www.ims.fraunhofer.de/en/ Business_Units_and_Core_Competencies/High-Temperature-Electronics/Technologies/HT-SOI-CMOS.html (accessed: 10.08.2022).
5. Tian B., Liu Z., Zhang Z., Liu Y., Lin Q., Peng S., Jiang Z. Effect of film deposition rate on the thermoelectric output of tungsten-rhenium thin film thermocouples by DC magnetron sputtering. J. Micromech. Microeng., 2020, vol. 30, no. 6, art. no. 065004. https://doi.org/10.1088/1361-6439/ab8607
6. Chargui A., El Beainou R., Mosset A., Euphrasie S., Potin V., Vairac P., Martin N. Influence of thickness and sputtering pressure on electrical resistivity and elastic wave propagation in oriented columnar tungsten thin films. Nanomaterials, 2020, vol. 10, iss. 1, art. no. 81. https://doi.org/10.3390/nano10010081
7. Belov A. N., Golishnikov A. A., Kostyukov D. A., Shevyakov V. I. Metallization of high-temperature silicon ICs based on tungsten titanium alloy. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 22-29. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2019-24-1-22-29
8. Zhang Z., Tian B., Du Z., Lin Q., Shi P., Ren W., Zhao N., Jiang Z. Effect of heat treatment on thermoelectric properties of tungsten-rhenium thin film thermocouples by RF magnetron sputtering. AIP Advances, 2018, vol. 8, iss. 12, art. no. 125113. https://doi.org/10.1063/1.5074126
9. Benediktov A. S., Ignatov P. V., Gvozdev V. A. Method offormation of multilevel metallization system based on tungsten for high-integrated circuits. Patent 2611098 RF, publ. 21.02.2017, Bul. No. 6. 10 p. (In Russian).
10. Tian B., Yu Q., Zhang Z., Lin Q., Zhao N., Jing W., Jiang Z. Measurement study of residual stress on tungsten-rhenium thin film thermocouples by nanoindentation technology. 2017 IEEE 12th International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (NEMS). Los Angeles, CA, IEEE, 2017, pp. 800803. https://doi.org/10.1109/NEMS.2017.8017139
11. Choi D., Barmak K. On the potential of tungsten as next-generation semiconductor interconnects. Electron. Mater. Lett., 2017, vol. 13, iss. 5, pp. 449-456. https://doi.org/10.1007/s13391-017-1610-5
12. Belov A. N., Chaplygin Yu. A., Golishnikov A. A., Kostyukov D. A., Putrya M. G., Safonov S. O., Shevyakov V. I. Tungsten alloyed with rhenium as an advanced material for heat-resistant silicon ICs interconnects. Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics, 2016, vol. 10224. art. ID: 1022404. https://doi.org/10.1117/12.2264789
13. Babkin S. I., Volkov S. I., Esenkin K. S., Novoselov A. S., Stolyarov A. A. Multilevel metallization for high temperature microelectronics. Elektronnaya tekhnika. Ser. 2. Poluprovodnikovyye pribory = Electronic Engineering. Series 2. Semiconductor Devices, 2016, no. 2 (241), pp. 33-44. (In Russian).
14. Watson J., Castro G. A review of high-temperature electronics technology and applications. J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 2015, vol. 26, iss. 12, pp. 9226-9235. https://doi.org/10.1007/s10854-015-3459-4
15. Watson J., Castro G. High-temperature electronics pose design and reliability challenges. Analog Dialogue, 2012, vol. 46 (2), pp. 3-9.
16. Starosel'skiy V. I. Physics of microelectronics semiconductor devices. Moscow, Yurayt Publ., Vyssheye obrazovaniye Publ., 2009. 463 p. (In Russian).
17. Shoucair F. S. Potential and problems of high-temperature electronics and CMOS integrated circuits (25-250 °C) - an overview. Microelectronics Journal, 1991, vol. 22, iss. 2, pp. 39-54. https://doi.org/10.1016/ 0026-2692(91)90024-H
18. Gromov D. G., Mochalov A. I., Sulimin A. D., Shevyakov V. I. Metallization of ultralarge-scale ICs. Moscow, BINOM. Laboratoriya znaniy Publ. 2009. 277 p. (In Russian).
19. Gornostay-Polsky V. S., Shevyakov V. I. Investigation of the effect of plasma treatment on the properties of titanium nitride thin films formed by chemical vapor deposition. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 6, pp. 715-722. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-715-722
20. Glebovskij V. G., Shtinov E. D., Kochetov O. S. Tungsten-titanic target for magnetron sputtering and method of its receiving. Patent 2352684 RF, publ. 20.04.2009, Bul. No. 11. 8 p. (In Russian).
21. Glebovskij V. G. Method for obtaining composite target for sputtering from tungsten - titanium -silicon alloy. Patent 2454481 RF, publ. 27.06.2012, Bul. No. 18. 6 p. (In Russian).
22. Glebovskij V. G. Method for obtaining composite target for sputtering from tungsten - titanium -rhenium alloy. Patent 2454482 RF, publ. 27.06.2012, Bul. No. 18. 6 p. (In Russian).
23. Safonov S. O., Bespalov V. P., Golishnikov A. A., Putrya M. G. Estimating the reliability of aluminum metallization of integrated circuits by accelerated electromigration testing at constant temperature. Russ. Microelectron., 2015, vol. 44, iss. 7, pp. 453-459. https://doi.org/10.1134/S1063739715070148
24. Babkin S. I., Volkov S. I., Glushko A. A., Morozov S. A., Novoselov A. S., Stolyarov A. A. Highvoltage LDMOS transistors on an SOI structure for electronics that operate in extreme conditions. Russ. Microelectron., 2020, vol. 49, iss. 4, pp. 285-294. https://doi.org/10.1134/S1063739720030026
25. Alloys of refractory metals. URL: https://studref.com/350287/tehnika/splavy_tugoplavkih_metallov (accessed: 20.09.2022).
26. Gromov D. G., Mochalov A. I., Pugachevich V. G., Sorokin I. N. Interaction between binary alloy thin films and silicon substrate: The conditions of bilayer formation and the effect of additional component. Appl. Phys. A, 2000, vol. 70, pp. 333-340. https://doi.org/10.1007/s003390050056
The review was submitted 04.10.2022; approved after reviewing 27.12.2022;
accepted for publication 06.02.2023.
Information about the authors
Aleksey V. Timakov - PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), aletimakov@yandex.ru
Vadim S. Gornostay-Polsky - PhD student of the Integrated Electronics and Microsystems Department, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), vad00711@gmail.com
Vasily I. Shevyakov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the of Integrated Electronics and Microsystems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), shev@dsd.miee.ru
/-N
Вниманию читателей журнала
«Известия высших учебных заведений. Электроника» Подписку на печатную версию журнала можно оформить:
• по каталогу «Периодические издания. Газеты и журналы» ООО «Урал-Пресс Округ». Подписной индекс 47570
• по объединенному каталогу «Пресса России» ООО «Агентство «Книга-Сервис». Подписной индекс 38934
• через Агентство «ПРЕССИ11ФОРМ»: http://presskiosk.ru/categories
• через редакцию - с любого номера и до конца года
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «Урал-Пресс Округ»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru
\_/
