Введение к работе
Актуальность
Современное развитие кремниевых СБИС связано с освоением нанометрового диапазона размеров элементов. Однако, несмотря на значительный прогресс в большинстве областей технологии ИС, технология многоуровневой металлизации в значительной степени сдерживает эффективное развитие СБИС. Система многоуровневой металлизации вносит значительный вклад в основные показатели ИС: площадь кристалла, быстродействие, надежность и др. По прогнозу ITRS-2004 (International Technology Roadmap for Semiconductors) уже в 2007 году шаг 1-ого уровня металлизации в кремниевых СБИС должен достичь размера 152 нм, а межсоединения должны выдерживать плотность тока —1-Ю6 А/см2. При таких малых размерах проводников вклад поверхностной энергии в термодинамическую стабильность систем металлизации становится ощутимым. Существующие представления о поведении тонкопленочных систем основаны на учете размерных эффектов, которые оказывают значительное влияние на физико-химические, электрофизические и др. свойства элементов межсоединений кремниевых СБИС. Поэтому знание закономерностей процессов, происходящих в такого рода системах при тепловом воздействии, позволит существенно повысить надежность многоуровневой системы металлизации СБИС или разработать новые технологии металлизации, что является актуальной научной и практической задачей.
Целью диссертационной работы является исследование закономерностей поведения тонкопленочных систем на основе меди при тепловом воздействии на них и изучение путей совершенствования технологии медных межсоединений кремниевых СБИС.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:
критический анализ современных технологий многоуровневых систем металлизации на основе алюминия и меди;
выявление термодинамических факторов, определяющих снижение температуры плавления тонких пленок меди с уменьшением их толщины;
разработка методики «in-situ» контроля температуры плавления тонких пленок металлов на диэлектрических подложках;
исследование кинетики процесса низкотемпературного плавления тонких пленок меди;
выявление особенностей механизма низкотемпературного плавления тонких пленок меди;
выработка конструктивно-технологических рекомендаций по применению эффекта низкотемпературного плавления тонких пленок меди в системах металлизации СБИС и МЭМС.
Научная новизна
Установлено, что существенное снижение температуры плавления тонких металлических пленок вызвано температурной зависимостью теплоты плавления вместе с изменением абсолютной поверхностной энергии системы.
Разработан метод расчета температуры плавления меди в зависимости от толщины пленки, учитывающий изменение поверхностной энергии и температурную зависимость теплоты плавления.
Выявлены кинетические особенности низкотемпературного плавления тонких пленок меди. Предложен активационный механизм, описывающий данное явление.
Выявлен эффект влияния толщины адгезионного подслоя на характер смачивания подслоя медью, определяющий качество заполнения медью контактных окон.
Практическая значимость работы
Разработан комбинированный метод беспустотного заполнения металлами контактных окон с высоким аспектным отношением, включающий электрохимическое осаждение меди и последующее низкотемпературное оплавление слоя путем термообработки.
На основе разработанного метода расчета температуры плавления создана компьютерная программа для определения
температуры плавления тонкой пленки в зависимости от ее толщины, в которой учтены изменение поверхностной энергии и зависимость теплоты плавления от температуры.
Разработаны измерительный комплекс и методика «in-situ» контроля температуры плавления тонких пленок металлов на диэлектрических подложках.
Результаты диссертационной работы использованы в НИР, проводимых в рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники на 2002 - 2006 годы" РИ-112.0/001/196 и ИН-КП. 1/002.
Работа была поддержана Грантами РФФИ: № 06-08-00780-а, 05-08-01508-а, 05-03-32744-а.
Результаты работы используются при чтении курса лекций «Физико-химические основы технологии микроэлектроники», «Материалы и процессы формирования металлизации кремниевых СБИС».
Результаты диссертационной работы использованы в ООО НПК "ОПТОЛИНК" при создании технологии изготовления микромеханических гироскопов и акселерометров различного класса точности.
На защиту выносятся следующие положения:
- существенное снижение температуры плавления тонких металлических пленок вызвано температурной зависимостью теплоты плавления вместе с изменением абсолютной поверхностной энергии системы;
метод расчета температуры плавления меди в зависимости от толщины пленки, учитывающий изменение поверхностной энергии и температурную зависимость теплоты плавления;
активационный механизм, описывающий кинетические особенности низкотемпературного плавления тонких пленок меди;
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов - 2004», Москва, 2004; 11-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2004», Москва, 2004; 9-я Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2004; 6-я международная конференция «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Туапсе, 2004; "Научная сессия МИФИ-2005", Москва, 2005; 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Москва, 2005; Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2005», Звенигород, 2005; Конференция "Индустрия наносистем и материалы", Москва, 2005; Международная конференция «ЭлИнф-05» Москва, 2005; 10-я международная научно-техническая конференция «Актуальные
проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006; 3-я Всероссийская конференция (с международным участием) «Химия поверхности и нанотехнология» Санкт-Петербург, 2006 г.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 20 печатных работ, в том числе: 2 статьи в журнале "Журнал Физической Химии", 1 статья в журнале "Физика Твердого Тела", 1 статья в журнале "Applied Physics А", 2 статьи в сборнике Proceedings of SPIE, а также в материалах (статьи и тезисы докладов) российских и международных конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов по работе, содержит 115 страниц машинописного текста, включая 4 таблицы, 53 рисунка и список литературы в количестве 125 наименований.
