Металлизация переходных отверстий в кремнии для создания токопроводящих межсоединений

Трехмерная (3D) интеграция является одним из путей развития конструкции ИС, обеспечивающим более высокий уровень функцио- нальности при минимальных размерах и максимальном быстродейст- вии. Переход от планарного расположения элементов к объемному благодаря их вертикальному размещению позволяет повысить плот- ность монтажа и способствовать многократному сокращению затрат на производство ИС. Наиболее перспективны изделия, интегрирован- ные на уровне полупроводниковых пластин и кристаллов с переход- ными отверстиями (TSV-технология). Использование TSV-технологии (Through Silicon Via) формирования трехмерных интегральных схем на основе их сборки в стек и заполнения металлом переходных отвер- стий в кремнии позволило убрать операцию разварки из технологиче- ской цепочки, не только обеспечив максимально возможный на сего- дняшний день уровень интеграции ИС, но и снижение трудоемкости сборки, повышение быстродействия и снижение энергопотребления систем. Для формирования межсоединений элементов ИС авторами ис- пользованы процессы электрохимического и химического осаждения металлов и сплавов из растворов, которые представляются весьма перспективными вследствие простоты, низкой стоимости оборудова- ния для их реализации, селективности осаждения, возможности управления составом, физико-химическими и функциональными ха- рактеристиками осадков за счет введения в электролит специальных добавок и изменения режима электролиза. Формирование кремниевых кристаллов с упорядоченными глу- хими отверстиями диаметром 5 мкм и глубиной 20-60 мкм проводили методом анодного травления кремния с последующим электрохими- ческим окислением поверхности. В отличие от традиционно исполь- зуемых для нанесения барьерных (Ti, TiN, TaN) и затравочных (Au, TiW/Cu, Cu, W) слоев методов напыления либо физического осажде- ния из газовой фазы для формирования барьерно-затравочного слоя, препятствующего диффузии меди в объем кремния, и для улучшения адгезиибыло использовано химическое осаждение сплавов Ni-P [1]. Дополнительное введение в никель-фосфорные сплавы вольфрама при осаждении пленок Ni-W-P приводит к повышению термостойкости, 11 более стабильным резистивным параметрам при термообработке и пониженному коэффициенту термического сопротивления. Авторами экспериментально обоснованы оптимальные условия формирования химически осажденных пленок Ni-W-P толщиной 100-120 нм на по- верхности диоксида кремния. Показано, что удовлетворительная прочность сцепления пленки сплава с полупроводником достигается только при ее осаждении на предварительно сформированную из вод- ных растворов и термообработанную пленку Ni-P толщиной ~ 30 нм. Методом Оже-спектроскопии с ионным травлением показано, что двухслойные пленки Ni-P÷Ni-W-P тормозят термостимулируемую диффузию меди в объем полупроводника. Важнейшей задачей электрохимического осаждения является бездефектное заполнение медью сформированных отверстий в меж- слойном диэлектрике. Электроосаждение меди проводили в сульфат- ном электролите, содержащем сернокислую медь, серную кислоту и хлорид-ион, концентрация которых зависела от геометрических раз- меров отверстий. При осаждении меди в отверстия на постоянном то- кенеоднородные условия диффузии, обусловленные неоднородным распределением плотности тока, которая во много раз выше на углах, чем в глубине, приводят к тому, что глухие отверстия зарастают, так и не заполняясь изнутри. В результате в отверстиях образуются пусто- ты, которые могут приводить к выходу из строя систем металлизации в процессе работы схем. Условием беспустотного заполнения отверстий является пре- вышение скорости осаждения меди внутри отверстия над скоростью меднения на его вершине и внешней поверхности, что обеспечивается электроосаждением с применением специальных добавок. Использо- вание замедляющих и ускоряющих добавок, создающих барьерный слой в местах наибольших градиентов (на поверхности и углах), ин- гибирует там осаждение и ускоряет рост меди [2]. Скорость осажде- ния меди зависит от степени покрытия поверхности ингибитором и ускорителем. Исследование кинетики электродных процессов при электроосаждении меди в присутствии выравнивающих добавок показало, что введение в состав электролита меднения полиэтиленгликоля (ингибитора) приводит к повышению катодной поляризации (рис. 1а). Являясь поверхностно-активным веществом, он облегчает проникновение электролита в узкие отверстия и смачивание стенок электролитом, позволяет повысить равномерность распределения осадка за счет облегчения условий массопереноса. Он адсорбируется на поверхности и формирует пассивирующий слой в присутствии ионов хлора, что и способствует формированию 12 мелкокристаллических покрытий, замедляя процесс заполнения отверстий. а б Рисунок 1 – Влияние состава электролита меднения на катодную поляризацию процесса осаждения (а) и параметры зародышеобразования (б, в) медных осадков Ускоритель (бис(3-сульфопропил)дисульфид)облегчает разряд ионов меди, повышает предельный ток и снижает катодную поляриза- цию. Он увеличивает скорость осаждения покрытия вследствие ката- литического стимулирования процесса адсорбции ионов меди поверх- ностными промежуточными комплексами, также уменьшая блокиров- ку поверхности ингибитором. В процессе электролиза ускоритель раз- лагается с образованием продуктов, ускоряющих процесс осаждения еще в большей степени. Степень покрытия поверхности катода ускоряющей добавкой благодаря высокому коэффициенту диффузии и медленной абсорбции увеличивается при осаждении меди в отверстия, где происходит уменьшение эффективной поверхности, приводящее к увеличению степени покрытия ингибитором по сравнению с плоской поверхностью. Поверхностная концентрация ингибитора обратно пропорциональна концентрации ускорителя, поэтому ингибиторы преимущественно пассивируют внешнюю часть окон, что приводит к осаждению снизу-вверх. Выравниватель повышает катодную поляризацию процесса осаждения и, накапливаясь преимущественно возле отрицательно заряженных участков с наибольшей напряженностью электрического поля на катоде (в верхних углах и на выступах поверхности), подавляет процесс осаждения меди и деактивирует молекулы ускорителя на поверхности [2]. Для электролита с выравнивающими добавками был обнаружен рост поляризации с перемешиванием электролита, повышающийся с увеличением скорости перемешивания, т. е. ускорение подачи добавок привело к усилению ингибирования процесса, что подтверждает ад- сорбционно-диффузионный механизм выравнивания поверхности. Расчет относительной выравнивающей способности показал, что в от- 13 личие от электролита без добавок, обеспечивающего выравнивание только при очень низких плотностях тока, используемый электролит обладает выравнивающей способностью и может быть использован при заполнении глухих отверстий. Исследование закономерностей процесса зародышеобразования показало, что добавки снижают энергию образования и размер, а так- же увеличивают скорость образования зародышей и химическое срод- ство с подложкой (рис.1 б, в). На рис. 2 приведены примеры заполнения отверстий. Для за- полнения отверстий с большим аспектным отношением (> 5) разрабо- таны программные режимы осаждения меди с постепенным увеличе- нием плотности тока от 0,1 до 0,5-1 А/дм 2 , а также использовано элек- троосаждение на реверсированном токе. а б в г д Рисунок 2 – Влияние состава электролита меднения на заполнение отверстий: а, б – в отсутствии добавок, в-д – в электролите с добавками, д – на реверсированном токе На основании проведенных исследований оптимизирован состав электролита меднения и отработаны программные режимы электро- химического заполнения медью переходных отверстий в кремнии при создании межсоединений.