CC BY
22
_Доклады БГУИР_
2005 апрель-июнь № 2
ТЕХНОЛОГИИ
УДК 539.216.2:541.138.3
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОДНОУРОВНЕВОЙ СИСТЕМЫ МЕДНЫХ МЕЖСОЕДИНЕНИЙ МНОГОКРИСТАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ НА ПОДСЛОЕ ТАНТАЛА С ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ МЕДНЫХ ЗАТРАВОЧНЫХ СЛОЕВ
В А. СОКОЛ, П.В. ГОМОЛКО
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П.Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 18 января 2005
Предложен метод создания медных затравочных слоев на подслое тантала химическим осаждением. Разработан технологический процесс создания медных межсоединений для многокристальных модулей.
Ключевые слова: медные межсоединения, химическое осаждение, затравочный слой.
Введение
В связи с расширением областей использования многокристальных модулей (МКМ) актуальным является их разработка и изготовление с многоуровневой системой межсоединений (МСМ). Быстрое увеличение плотности приборов и сложности схемы требует одновременного увеличения плотности межсоединений. Традиционно этого достигают, уменьшая шаг металлизации и постепенно увеличивая число уровней межсоединений. Для этого регулируют ширину и длину межсоединений, уменьшая их до субмикронных размеров на уровне микросхемы и до микронных размеров на уровне МКМ. Возникающие при этом помехи в виде задержки сигнала, перекрестных помех, электромиграции и миграции, вызванной механическими напряжениями, которые приводят к отклонениям в работе приборов, становятся важными научными и технологическими проблемами [1].
В настоящее время алюминий и его сплавы используются как один из основных материалов, так как он отвечает большинству технических требований металлизации МКМ. Однако для металлизации современных МКМ алюминий не всегда пригоден из-за ограничений, связанных со свойствами металла и технологией осаждения. Электрическое удельное сопротивление алюминия и его сплавов недостаточно низкое. Наряду с традиционными видами МСМ на основе алюминия разрабатываются новые с целью улучшения изменения свойств МКМ (быстродействие, уменьшение задержки распространения сигнала, уменьшение удельного сопротивления и т.д.). К таким МСМ относятся, в частности, межсоединения на основе меди, служащей в качестве основного металла, и оксида алюминия, служащего в качестве диэлектрика. Главным преимуществом использования медных проводников является уменьшение (на 40%) задержки распространения сигнала по проводнику и, как следствие этого, увеличение быстродействия всей схемы в целом [2-4].
Экспериментальная часть
Среди существующих методов создания тонких пленок металлов (осаждение из паровой фазы, осаждение распылением, электрохимическое осаждение) электрохимический метод является наиболее простым, надежным и недорогим. Кроме того, он обеспечивает селективность осаждения.
Для создания медной металлизации для МКМ электрохимическим методом на подслое тантала необходимо получить тонкую («1000-2000 А) затравочную, или первичную, пленку химическим осаждением или электронно-лучевым напылением для последующего электрохимического наращивания.
Химическое осаждение первичного затравочного слоя меди обеспечивает селективность всего технологического процесса получения медной металлизации [5-7].
На рис. 1 представлена схема изготовления одноуровневой системы металлизации на основе медных пленок для МКМ.
Для эксперимента использовались ситалловые подложки с размерами 60x48 мм.
1. Химическая очистка подложек. Подложки подвергались последовательной очистке перекисно-аммиачным раствором, раствором смеси Сг03 и Н2804, дистиллированной водой и парами полипропиленового спирта.
2. На очищенные и обезжиренные подложки вакуумным электронно-лучевым напылением нанесены слои тантала (50 нм) и алюминия (2 мкм).
3. Создание маски для травления окон в слое алюминия посредством фотолитографического процесса. Использовались фотошаблоны тестовых структур с минимальной шириной элемента 5 мкм.
4. Травление окон в слое алюминия толщиной 2 мкм.
5. Травление оксида тантала (табл. 1) и химическое осаждение тонкого слоя меди (1000-2000 А) (табл. 2, рис. 2).
6. Осуществление процесса взрывной фотолитографии для снятия фоторезиста маски с избыточным слоем меди. Процесс проводился в кипящем диметилформамиде.
7. Создание маски для электрохимического осаждения меди на тонкую медную пленку-присадку, нанесенную, согласно п. 5, фотолитографическим способом. Использовались фотошаблоны тестовых структур с минимальной шириной элемента 5 мкм.
8. Наращивание медной пленки в окнах электрохимическим методом до толщины 2 мкм (табл. 3).
9. Травление фоторезистивной маски в диметилформамиде.
10. Создание маски для электрохимического анодирования слоев алюминия и тантала фотолитографическим способом. Использовались фотошаблоны тестовых структур с минимальной шириной элемента 5 мкм.
11. Анодирование пленок алюминия (табл. 4) и тантала (табл. 5) для создания межслоевого диэлектрика.
12. Травление фоторезистивной маски в диметилформамиде.
Таблица 1. Состав раствора травления оксида тантала
Компонент Содержание компонента на 1 л раствора
Состав
Н20 дист. 8-20 мл
НЫ03 70% 60-100 мл
ЫН^ 8-15 г
Молочная кислота 18-22 мл
(ЫЩБЛ 5-6 г
Режим травления
рн 1,5-2,0
1:, с 10
Т, °С 20
Компонент Содержание компонента
Состав, г/л
Си804-5Н20 33
Формальдегид (НСНО) 40 мл/л
Этилендиаминтетрауксусная кислота (Трилон Б) 6,6
КзЕе(СК)6 0,05
2,2'-&руп(1у1 0,05
Н2Б04 (конц.) Регулировка рН раствора
ЫаОН (конц.) Регулировка рН раствора
Режим осаждения
рн 12,2
Т, °С 55-65
Таблица 3. Состав водного раствора электролита электроосаждения меди
Компонент Содержание компонента
Состав, г/л
Меди сульфат 85
Калия пирофосфат 360
Аммония нитрат 23,5
Режим осаждения
рН 8,1
Т, °С 35-40
Гальваностатический режим, катодная плотность тока, А/дм2 0,4-9,0
Отношение площадей анода и катода 2-2,5
Таблица 4. Состав водного раствора анодирования алюминия
Компонент Содержание компонента
Состав, об. %
Кислота серная 5
Режим анодирования
Т, °С 20
Потенциостатический режим, 10
напряжение, В
Таблица 5. Состав водного раствора анодирования тантала
Компонент Содержание компонента
Состав, об. %
Кислота фосфорная 4
Режим анодирования
Т, °С 20
Потенциостатический режим, 70
напряжение, В
Рис. 1. Схема технологического процесса формирования многоуровневой металлизации на основе пленок меди
2
3
4
5
6
7
10
11
12
Рис. 1. Продолжение
9
Защитный слой
(AI2O3, плотное анодирование)
Стенка канавки AI2O3
Химически осажденная медь на дне канавки
Рис. 2. Микрорельеф поверхности структур после химического осаждения меди
Заключение
Разработана технология создания системы медной металлизации МКМ на основе пленок меди. Для ее создания использованы химический и электрохимический методы осаждения меди. Данные методы обеспечивают беспустотное и равномерное заполнение канавок с высокой скоростью. Необходимым условием осуществления процесса электрохимического осаждения меди на подслой тантала является наличие тонкого затравочного слоя меди («1000-2000 А), получаемого химическим осаждением на тантал.
Разработанный раствор химического осаждения меди позволяет получать тонкие пленки меди с удовлетворительными характеристиками на предварительно активированном подслое тантала.
DEVELOPMENT OF MCM ONELEVEL COPPER INTERCONNECTIONS SYSTEM ON TANTALUM UNDERLAYER WITH ELECTROLESSLY DEPOSITED COPPER SEED LAYERS
V.A. SOKOL, P.V. HAMOLKA Abstract
A method of electrolessly deposited copper seed layers on tantalum development is proposed. An original MCM copper interconnections development technological process was investigated.
Литература
1. Wong K.K.H., Kaja S., DeHaven P.W. // IBM Journal of Research and Development. 1998. Vol. 42, № 5.
2. Powell R.A., HarrusA.S., Hill R. Novellus Systems, Inc, www.novellus.com.
3. Dubin V., Shacham-Diamand Y. et al. // J.Electrochem. Soc. 1997. Vol. 144, № 3.
4. Shacham-Diamand Y, Dubin V., AngyalM. // Thin Solid Films. 1995. Vol. 262. P. 95-103.
5. Shacham-Diamand Y., Lopatin S. // Microelectronic Engineering. 1997. Vol. 37/38. P. 77-88.
6. Shacham-Diamand Y., Dubin V. // Microelectronic Engineering. 1997. Vol. 33. P. 47-58.
7. Magagnin L., Maboudian R., Carraro C. // Electrochemical and Solid-State Letters. 2001. Vol. 4 (1). C5-C7.
