Способ реактивного ионного травления слоя нитрида титана селективно к алюминию и двуокиси кремния

Изобретение относится к микроэлектронике, методам и технологическим приемам контроля и анализа структур интегральных схем, к процессам сухого плазменного травления. Сущность изобретения: слой TiN удаляется селективно к Al и SiO₂ при реактивном ионном травлении его в плазме CF₄+O₂ при соотношении компонентов (см³/мин) 5:(30-40), рабочем давлении 20-30 Па, при плотности высокочастотной мощности 8-16 Вт/см², которая достигается уменьшением активной площади электрода путем наложения на него кварцевого кольца толщиной более 3 мм для концентрации плазмы в области обработки. Изобретение обеспечивает повышение селективности травления слоя нитрида титана по отношению к SiO₂ при сохранении высокой селективности травления к Аl. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к микроэлектронике, технологии контроля и анализа структуры интегральных схем (ИС), к процессам сухого плазменного травления.

Нитрид титана (TiN) широко используется в производстве ИС для создания барьерных и антиотражающих слоев на этапе формирования металлизации. Его травление осуществляется методами плазмохимического или реактивного ионного травления либо селективно к двуокиси кремния (SiO₂), когда слой TiN травится вместе с алюминием (Al) [1, 2, 3], либо селективно к Al, когда он травится вместе со слоем SiO₂ [4, 5, 6, 7, 8]. Однако, при послойном анализе структуры ИС часто возникает необходимость удалить слой TiN селективно и к Al, и к SiO₂. Особенно это важно при проведении работ по обратному проектированию ИС, то есть при восстановлении электрической схемы по изображениям топологических слоев ИС.

Известен способ травления TiN, описанный в патенте РФ №2081207 [9]. Он состоит в жидкостном травлении нитрида титана в растворе, который содержит (г/л): плавиковую кислоту (плотностью d=1,155 г/см³) 70-100, соляную кислоту (d=1,198 г/см³ 40-80; фосфорную кислоту (d=1,870 г/см³) 100-290. Он предназначен для удаления слоя нитрида титана со стальных изделий и имеет низкую селективность и к Al и к SiO₂.

Известен другой способ травления TiN [10]. Он состоит в реактивном ионном травлении нитрида титана в плазме смеси треххлористого бора (BCl₃), четыреххлористого углерода (CCl₄) и кислорода (O₂) при соотношении компонентов (измеренном по величине газовых потоков в см³/мин) 30:8:2, при давлении 9 Па, высокочастотной мощности 200-400 Вт. Селективность травления TiN к SiO₂ в этом процессе составляет 3:1. Недостатком его является отсутствие селективности к Al, который травится в 2,5-3 раза быстрее, чем TiN. Кроме того, недотравленный слой Al, лежащий под стравленным слоем нитрида титана, после этого процесса имеет очень активную поверхность из-за отсутствия естественного защитного окисла на алюминии и чрезвычайно подвержен коррозии, особенно в присутствии хлорсодержащих продуктов травления, которые частично остаются на образце после травления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ травления TiN, описанный в статье L.C.Zhang и др. [11]. Травление TiN по этому способу осуществляется методом реактивного ионного травления в плазме смеси четырехфтористого углерода (CF₄) и 10% О₂ при давлении 1 Па и высокочастотной мощности 200 Вт со скоростью 24 нм/мин. Процесс имеет очень высокую селективность к Al, поскольку Al в этой плазме не травится, происходит только незначительное распыление его под действием ионной бомбардировки. Недостатком этого способа является отсутствие селективности к слою SiO₂, который травится в 5-6 раз быстрее, чем TiN.

Задачей, на решение которой направлено это изобретение, является увеличение селективности травления слоя нитрида титана по отношению к SiO₂ при сохранении высокой селективности травления по отношению к Al.

Поставленная задача решается в способе, включающем реактивное ионное травление слоя нитрида титана до алюминия и двуокиси кремния в плазме смеси четырехфтористого углерода (CF₄) и кислорода, отличающемся тем, что травление проводят при соотношении компонентов (заданном величиной газовых потоков в см³/мин) 5:(30-40), рабочем давлении 20-30 Па и плотности высокочастотной мощности 8-16 Вт/см², которая достигается уменьшением активной площади высокочастотного электрода путем наложения на него кварцевого кольца толщиной более 3 мм для концентрации плазмы в области обработки.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: 1) изменение соотношения компонентов плазмы до получения значительного избытка кислорода, при котором скорость травления SiO₂ существенно уменьшается, а скорость травления нитрида титана увеличивается за счет увеличения вероятности образования оксифторидов титана, более летучих, чем фториды титана, 2) увеличение рабочего давления, еще более снижающего скорость травления SiO₂, 3) увеличение плотности высокочастотной мощности, способствующее быстрому и более равномерному травлению нитрида титана, что позволяет сократить время удаления слоя TiN и время воздействия на открытые области слоя SiO₂, 4) применение дополнительной оснастки в виде кварцевого кольца толщиной более 3 мм, закрывающего большую часть поверхности высокочастотного электрода и затрудняющего возбуждение плазмы над закрытой областью электрода (что приводит к выделению всей высокочастотной мощности над открытой областью и концентрации плазмы над ней).

Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении селективности травления TiN по отношению к SiO₂ до (1,5-2,2):1 при сохранении высокой селективности травления по отношению к алюминию.

Для обоснования выбранных диапазонов параметров процесса по предлагаемому способу травления TiN приведем экспериментальные результаты. Кривая зависимости селективности травления TiN по отношению к SiO₂ от соотношения компонентов плазмы имеет максимум в указанном диапазоне, поэтому использовать соотношение компонентов вне этого диапазона нецелесообразно. При рабочем давлении ниже 20 Па селективность к SiO₂ выше 1,5:1 не достигается, а при давлении выше 30 Па наблюдается ухудшение согласования генератора с нагрузкой, вероятно, из-за наличия кварцевого кольца на электроде. При плотности мощности менее 8 Вт/см² наблюдается размерный эффект травления, когда TiN на мелких элементах и узких проводниках стравливается значительно быстрее, чем на широких. С ростом плотности мощности этот эффект уменьшается, но при плотности мощности более 16 Вт/см² скорость травления возрастает настолько, что трудно контролировать удаление тонких слоев TiN, получается то недотрав, то перетрав за одинаковое время травления (несколько секунд). При использовании кварцевого кольца толщиной 3 мм появляется свечение плазмы над кварцем, эффективность концентрации плазмы снижается, уменьшается плотность мощности в зоне обработки образцов. При меньших толщинах кварцевого кольца эффективность его будет еще меньше.

В качестве примера рассмотрим опробирование способа при травлении антиотражающего слоя нитрида титана толщиной 0,1 мкм на Al проводниках, лежащих на слое SiO₂, нанесенного на кремниевую подложку (чип) размерами 4,5×6 мм. Этот образец помещается на центральную область высокочастотного электрода установки RIE-1C фирмы SAMCO, на котором расположено кварцевое кольцо толщиной 5 мм, закрывающее весь электрод, кроме его центральной области, диаметром 40 мм. Образец обрабатывается в плазме CF₄+О₂ при соотношении компонентов (см³/мин) 5:35, рабочем давлении 25 Па, высокочастотной мощности 150 Вт (плотность мощности 12 Вт/см²) в течение 10 секунд. За это время полностью стравливается слой нитрида титана (0,1 мкм), происходит утонение лежащего вокруг Al проводников слоя SiO₂ на 0,05 мкм и практически не изменяется толщина слоя Al на проводниках.

1. Способ реактивного ионного травления слоя нитрида титана селективно к алюминию и двуокиси кремния, включающий обработку слоя нитрида титана в плазме смеси четырехфтористого углерода (CF₄) и кислорода, отличающийся тем, что травление проводят при соотношении компонентов, заданном величиной газовых потоков, 5:(30-40), рабочем давлении 20-30 Па и плотности высокочастотной мощности 8-16 Вт/см².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная плотность высокочастотной мощности достигается уменьшением активной площади высокочастотного электрода путем наложения на него кварцевого кольца толщиной более 3 мм для концентрации плазмы в области обработки.