УДК
621.3.049.077:621.793
РЕДИЧЕВ Е.Н.,
ГРОМОВ Д.Г., КЛИМОВИЦКИЙ А.Г.,
МОЧАЛОВ А.И., СУЛИМИН А.Д.

ЗАПОЛНЕНИЕ ТРАНШЕЙ И ПЕРЕХОДНЫХ ОКОН
ПОСРЕДСТВОМ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ
МНОГОУРОВНЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КРЕМНИЕВЫХ ИС.

Московский государственный институт электронной техники
(технический университет)
103498, Россия, Москва-Зеленоград, К498, МИЭТ

Кремниевые СБИС, изготовленные по 0,13 мкм технологии, могут
содержать до 14 уровней межсоединений, материалом которых является
медь. Медные межсоединения формируются по технологии "damascene"
[1], которая основана на заполнении медью траншей и переходных окон в
диэлектрике и последующей планаризации. Однако беспустотное
заполнение указанных траншей и окон является непростой задачей.
Из-за более низкой скорости осаждения на стенках и дне окон и
траншей, чем на поверхности диэлектрика при заполнении окон и траншей
традиционным для микроэлектроники методом физического осаждения из
газовой фазы (PVD) возникают пустоты, что накладывает ограничение на
его использование этой целью. Для достижения однородного,
беспустотного заполнения глубоких окон и траншей медью известны, по
меньшей мере, три приема: химическое осаждение из газовой фазы,
химическое и электрохимическое осаждения. Однако каждый из этих
приемов требует своего специального оборудования и/или специальных
реактивов. К тому же, для указанных методов проблема беспустотного
заполнения лишь отодвигается. Это вызвано тем, что с уменьшением
размеров различие в скорости осаждения в углублениях и на поверхности
рано или поздно возникает, когда скорость осаждения в углублениях
начинает ограничиваться доставкой реагентов внутри углублений, чего не
случается на поверхности.
В представленной работе обосновывается и демонстрируется
возможность заполнения траншей и переходных окон с различным
аспектным соотношением в диэлектрике при использовании обычного
метода физического осаждения из газовой фазы с использованием эффекта
понижения температуры плавления с уменьшением толщины тонкой
пленки меди на инертной поверхности диффузионно-барьерного слоя
(ДБС) аморфного сплава Ta-W-N [2,3].

Все пленки металлов и сплавов наносились методом магнетронного
ионно-плазменного распыления в вакууме, т.е. методом физического
осаждения из газовой фазы (PVD). Пленки диффузионно-барьерного
сплава Ta-W-N наносилась распылением составной мишени Ta-W в
атмосфере смеси газов аргона и азота.
Тестовые структуры для исследования процесса заполнения канавок
медью изготавливались следующим образом. На подложках Si диаметром
150 мм ориентации (100) был сформирован слой SiO2 толщиной 2 мкм
методом плазмохимического осаждения. Травление канавок шириной от
0,5 мкм до нескольких единиц мкм и глубиной 1.7 мкм в слое SiO2
проводилось плазмохимическим методом. Далее осаждалась пленка Ta-W-
N толщиной 50 нм. Слои меди наносились поверх Ta-W-N либо поверх
смачивающего слоя титана толщиной 20 нм, предварительно осажденного
на Ta-W-N.
Демонстрируемый способ заполнения медью узких канавок и
контактных окон с высоким аспектным соотношением основан на эффекте
плавления тонкой пленки меди. Важным моментом является то, что
процесс заполнения можно осуществлять при температуре, которая
значительно более низкая, чем температура плавления меди и при которой
медь не способна проникать через ДБС. Более того, этой температурой
можно управлять, задавая толщину пленки. Для пленки меди толщиной
100 нм - это порядка 850°С, для пленки толщиной 20 нм - порядка 700°С.
Для успешного заполнения необходимо, чтобы поверхность, на
которую осаждена медь, хорошо ею смачивалась. Отсутствие
взаимодействия между ДБС Ta-W-N и медью и, как следствие, плохое
смачивания медью поверхности Ta-W-N приводит к результату,
демонстрируемому на рис. 1. В процессе термообработки при 850°С медь
не затекает в канавки, а собирается в шарики, которые подвешенные на
гребне структуры.

Cu
Рис.1
РЭМ-микрофотография
скола структуры
Cu/Ta-W-N/SiO2/Si после отжига
при температуре 850 0С.


Хорошее смачивание следует ожидать, когда поверхностная энергия
межфазной границы пленки с нижележащим слоем S стремится к нулю.
Поскольку величины поверхностных энергий чаще всего неизвестны,
выбор смачивающего слоя может быть сделан, исходя из склонности к
взаимодействию пленки со смачивающим слоем. Наилучший вариант,
когда материалы пленки и смачивающего слоя образуют химические
соединения. Таким образом, в качестве материала смачивающего слоя был
выбран титан, образующий с медью интерметаллиды [4].
Как можно видеть на рис. 2, добавление смачивающего слоя титана
толщиной 20 нм между слоями меди и Ta-W-N кардинально меняет
ситуацию: медь однородно заполняет канавки, не образуя пор.
Интересным моментом является то, что это происходит практически при
той же температуре, что и процесс диспергирования (850°С для пленки
меди толщиной 100 нм).
Cu
Рис.2. Заполнение медью углуб-
лений в SiO2 в результате отжига
структур Cu/Ti/Ta-W-N/SiO2/Si при
850 0С (ширина канавки 0.7 мкм).



1. Helneder H., Krner H., Mitchell A., Schwerd M., Seidel U. Comparison
of copper damascene and aluminum RIE metallization in BICMOS
technology, Microelectronic Engineering, 2001, Vol. 55, p. 257-268.
2. Громов Д.Г., Евдокимов В.Л., Климовицкий А.Г., Личманов И.О.,
Мочалов А.И., Сулимин А.Д. Материалы для металлизации
кремниевых СБИС, Электронная промышленность, 2002, 1, с. 60-66.
3. Климовицкий А.Г., Мочалов А.И., Громов Д.Г., Леонова Е.В., Мочалов
З.А. Исследование барьерных свойств сплава Ta-W-N в составе
многослойной системы металлизации ИС, Известия вузов,
Электроника, 5, 2003, с. 3-8.
4. Хансен М., Андерко К. Структуры двойных сплавов, Справочник: В
2т., -М.: Металлургиздат, 1962.-1488 с.