Результаты эксперимента

Теоретические исследования позволяют говорить о том, что процессы электродиффузии протекают при любой температуре, а плотность тока является основным фактором движущей силы ЭПМ. Как показываю экспериментальные исследования, для подавляющего большинства современных ИМС, которые используют в качестве коммутационных структур, в основном, тонкие плёнки алюминия, негативный эффект ЭПМ в металлизации проявляется при плотностях тока более 5×10⁶ А/см²[3].

Особенностью ЭПМ в тонких поликристаллических плёнках является то, что основной поток массы проходит по границам зёрен (рис. 9) материала проводника. Переносом массы внутри кристаллитов при эксплуатационных температурах можно пренебречь. Для алюминиевой металлизации характерно наличие слоя оксида на поверхности плёнки, который пассивирует поверхностный перенос массы. Перенос массы по границе раздела подложка – плёнка в данной реализации модели не рассматривается ввиду невозможности учёта состава и структуры фазы границы раздела. Но, по литературным данным, этот вид переноса можно не рассматривать по причине малости вклада по сравнению с зернограничным переносом.

Поскольку моделируются процессы, протекающие в объектах с различной геометрической структурой, которая определяется топологией проводника, необходимо развивать подход, который в перспективе позволит учитывать влияние топологии проводника, типа границ зёрен, распределение крупных дефектов на протекание электродиффузионных процессов и, в конечном счёте, на надёжность такого проводника. В этом случае логично рассматривать тонкоплёночный проводник как совокупность элементарных ячеек, в каждой из которых рассматриваемые процессы протекают по некоторым правилам, относительно независимо друг от друга[3].

Рис. 9. Изображение границ зёрен тонкой плёнки алюминия [3]

Алюминий неслучайно длительное время оставался одновременно и контактным материалом к полупроводнику, и материалом межсоединений. Он обладает целым рядом достоинств, среди которых:

• низкое удельное сопротивление (2,65 мкОм·см);

• хорошая адгезия к диэлектрикам;

• высокая коррозионная стойкость;

• способность образовывать низкоомные невыпрямляющие контакты (НК) с p⁺- и n⁺-Si;

• способность образовывать в запрещенной зоне кремния только мелкие акцепторные энергетические уровни.

Однако с уменьшением размеров элементов ИС отчетливо проявились и недостатки, присущие алюминию как контактному материалу. Эти недостатки определяются прежде всего характером физико-химического взаимодействия алюминия с Si и SiO₂. Основными из них являются:

• активное взаимодействие с кремнием в области контактного окна при термообработке;

• высокая подверженность термо- и электромиграции.

При уменьшении размеров элементов ИС было установлено, что причиной частых отказов ИС с однослойной алюминиевой металлизацией является закорачивание p-n-переходов в результате термообработки. Исследование с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ) обнаружило катастрофическое ухудшение морфологического совершенства межфазной границы контакта в виде образования глубоких пустот в кремнии после селективного удаления пленки (рис.10).

Рис.10. РЭМ-микрофотография морфологии поверхности ИС

• области контактного окна после термообработки при 470 ^°С

  • течение 30 мин и удаления пленки алюминия[5]

Как видно на рис.11, система Al - Si имеет диаграмму фазовых равновесий эвтектического типа. Алюминий практически не растворяется в кремнии, в то время как в алюминии может растворяться до 1,65 ат. % кремния. Эвтектика плавится при температуре 577 °С. Следствием такого взаимодействия является растворение кремния из подложки в пленке алюминия при относительно низких температурах, т.е. алюминий действует как травитель кремния[5].

Экспериментально установлено, что возникновение проколов p-n-переходов связано с указанными вакансиями (пустотами), образующимися в результате неоднородного растворения кремния в алюминии (см. рис.11) . Эти пустоты заполняются алюминием с растворенным в нем кремнием (рис.12) и могут привести к короткому замыканию p- n-переходов[5].

Рис.12. Схема растворения кремния алюминиевой пленкой[5]

Рис.11. Диаграмма фазовых равновесий системы Al - Si [5]

Установлено также, что глубина проникновения алюминия в кремний, оцениваемая по глубине пустот в локальных местах области контакта, практически не изменяется в диапазоне температур 300 - 500˚С и составляет 40 - 90 нм . В диапазоне 500 - 577 ˚С происходит резкий рост глубины проникновения до 1,25 - 1,45 мкм. Столь неоднородное растворение кремния и заполнение образующихся пустот алюминием, а также отмеченный резкий рост глубины проникновения алюминия в кремний в диапазоне 500 - 577 ˚С вызваны появлением жидкой фазы, которая «проплавляет» кремний, хотя температура термообработки ниже, чем температура плавления эвтектики. На это указывает также тот факт, что количество кремния, растворенного в алюминии, значительно превосходит то его количество, которое должно раствориться согласно диаграмме фазовых равновесий системы Al -Si при указанной температуре термообработки[5].

Одной из причин появления жидкой фазы при пониженной температуре могут стать локальные очаги с температурой выше 577 °С, которые могут образоваться в результате сильной экзотермической реакции между алюминием и остаточным естественным оксидом кремния

3SiO ₂ + 4Al → 3Si + 2Al ₂ O ₃ , (12)

сопровождающейся освобождением энергии 220 кДж на 1 моль реагирующего оксида[5].

Перед операцией нанесения пленки алюминия проводится удаление естественного оксида. Однако, как показали исследования, на поверхности кремния все же наблюдается остаточный квазиоксид SiO_х , неоднородный по толщине (0,4 - 3 нм) и свойствам. Указанный слой образуется вследствие неконтролируемого быстрого реокисления кремния под действием атмосферного воздуха, в результате в нем содержится достаточно большое число неконтролируемых примесей. Все это приводит к тому, что при термообработке на различных участках кремниевой поверхности интенсивность взаимодействия пленки алюминия с остаточным оксидом оказывается различной, вызывая локальные очаги с температурой выше температуры плавления эвтектики. Экспериментально установлено, что зарождение пустот начинается по краям контактных окон, т.е. там, где сосредоточено большее количество остаточного оксида[5].

Другой причиной появления жидкой фазы являются размерные эффекты в тонких пленках, обусловленные заметным вкладом поверхностной энергии в процессы фазовых переходов. К такого рода эффектам относится появление жидкой фазы при температуре ниже ожидаемой температуры плавления рассматриваемого материала, т.е. для системы Al-Si ее появление возможно при температуре ниже эвтектической (577 °С)[5].

С этой точки зрения может быть объяснено и зарождение пустот на краях контактных окон. Данные участки обладают повышенной поверхностной энергией, поэтому именно на них появление жидкой фазы следует ожидать в первую очередь. В то же время указанные участки являются стоком для всевозможных кристаллических дефектов кремния, областью локальной концентрации механических напряжений, поэтому именно на них следует ожидать наибольшие глубины проплавления кремния.

Существует ряд путей решения проблемы активного взаимодействия алюминия с кремнием в процессе термообработки. Один из них - использование быстрого термического отжига с температурой достаточно высокой, чтобы образовалась жидкая фаза, и продолжительностью чрезвычайно малой, чтобы произошло интенсивное растворение кремния в алюминии и возникли проплавления. Область контактного окна после быстрого отжига и селективного удаления алюминия (рис.13) показывает, что поверхность кремния в контактном окне является ровной и не имеет проплавлений, возникающих при длительных термических воздействиях (см. рис.10).

Рис.13. РЭМ-микрофотография морфологии поверхности ИС в области контактного окна после быстрого термического отжига и удаления пленки алюминия[5]

Д ругой путь решения проблемы взаимодействия алюминия с кремнием использование в качестве материала межсоединений алюминия, легированного кремнием, до концентраций в пределах существования области твердого раствора.[5]

Этот путь позволяет несколько снизить активность взаимодействия алюминия с кремнием, однако не устраняет само взаимодействие. В результате наблюдается повышение температуры деградации контакта, но увеличение глубины проникновения алюминия в кремний с ростом температуры сохраняется. Тем не менее, данный путь на некоторое время продлил существование однослойной алюминиевой металлизации, т.е. первый этап развития системы межсоединений интегральных схем.

Следует отметить, что к концу первого этапа сформировался комплекс параметров, по которым выдвигаются требования к системе металлизации интегральных схем:

• удельное контактное сопротивление контакта к p⁺- и n⁺-типам кремния;

• удельное сопротивление межсоединений;

• склонность к электромиграции;

• термическая стабильность.

Недостатками однослойной алюминиевой металлизации являются высокая склонность к электромиграции; сильно различающиеся значения контактного сопротивления к р⁺- и n ⁺-типам кремния (40 и 400 мкОм·см² [5]соответственно), что обусловлено дополнительным подлегированием р⁺-областей и компенсацией легирующей примеси в n⁺-областях, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии, но алюминий становится более устойчивым.

Началом второго этапа развития межсоединений кремниевых ИС стала двухслойная структура, в которой в качестве контактного слоя к полупроводнику использовался силицид переходного металла, а токоведущие межсоединения были алюминиевыми. Однако быстро выяснилось, что термическая стабильность такой структуры недостаточна и ограничивается 500 °С. Причиной этого является реакция между алюминием и силицидом, которая приводит к образованию интерметаллидов алюминия с металлом силицида и свободного кремния, выпадающего в виде второй фазы в алюминии. Кроме того, наблюдается проникновение алюминия в кремниевую подложку. Использование алюминия, легированного кремнием, вместо чистого алюминия существенно не замедлило взаимодействия алюминия с кремнием [5].

После этого в составе системы металлизации появился тонкий диффузионно-барьерный слой, и достаточно длительное время система металлизации имела структуру, приведённую на рис.14.

Рис.14. Структура многослойной металлизации с проводящим слоем на основе алюминия [5]

Переход размеров элементов ИС в субмикронную область привел к появлению двух проблем: 1) невозможность осуществить токоведущую разводку в рамках одного слоя, что повлекло создание многоуровневой системы межсоединений и, как следствие, возникновение дополнительных трудностей, связанных с осуществлением фотолитографии; 2) изменение аспектного отношения (Aspect Ratio - AR) высоты межсоединения к его гори-зонтальному размеру от величины <1 к величине >1. В результате контактное окно превратилось в колодец, который необходимо полностью заполнить проводящим материалом, формируя, по существу, вертикальный проводник[5].