Способ реактивного ионного травления слоя нитрида титана селективно к двуокиси кремния, поликремнию и вольфраму
Владельцы патента RU 2533740:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) (RU)
Изобретение относится к микроэлектронике, методам и технологическим приемам контроля и анализа структуры интегральных схем, к процессам сухого плазменного травления. Сущность изобретения: слой TiN удаляется селективно к SiO2, вольфраму и поликремнию при реактивном ионном травлении его в плазме O2 с присутствующей в зоне разряда пластинкой фторопласта площадью 2-20% рабочей поверхности высокочастотного (ВЧ) электрода, травление проводят при плотности ВЧ мощности 1-3 Вт/см2, а рабочую поверхность ВЧ электрода покрывают кремнием, графитом или другим фторопоглощающим материалом. 1 табл.
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), либо селективно к Al, когда он травится вместе со слоем SiO2 [1-8]. Ни один из этих способов травления TiN не обеспечивает одновременной селективности еще и к поликремнию и вольфраму. Однако при послойном анализе структуры ИС возникает необходимость удалить слой TiN селективно и к SiO2, и к вольфраму, и к поликремнию. Особенно это важно при проведении работ по препарированию ИС с целью получения полных изображений всех их топологических слоев для восстановления электрической схемы. Селективный к разным материалам процесс удаления слоя нитрида титана необходим для сохранения таких конструктивных элементов ИС, как контактные вольфрамовые столбики и поликремниевые затворы.
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 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.
Известен также способ, 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% O2 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.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению техническим решением является способ травления TiN, описанный в патенте РФ №2392689 [12]. Он состоит в том, что слой TiN травится методом реактивного ионного травления в плазме смеси четырехфтористого углерода и кислорода при соотношении компонентов 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. Этот способ обеспечивает селективность травления TiN по отношению к SiO2 и Al, но не обеспечивает селективности по отношению к поликремнию и вольфраму.
Задачей, на решение которой направлено это изобретение, является увеличение селективности травления слоя нитрида титана по отношению к поликремнию и вольфраму при сохранении высокой селективности травления по отношению к SiO2.
Поставленная задача решается в способе, включающем реактивное ионное травление слоя нитрида титана до двуокиси кремния, вольфрама и поликремния, включающем обработку слоя нитрида титана в плазме кислорода и фторсодержащего соединения, отличающимся тем, что в качестве фторсодержащего соединения используется продукт разложения в кислородной плазме пластинки фторопласта площадью 2-20% рабочей поверхности высокочастотного электрода, непосредственно травление проводят при плотности высокочастотной мощности 1-3 Вт/см2, а рабочую поверхность высокочастотного электрода покрывают кремнием, графитом или другим фторопоглощающим материалом.
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: состав плазмы, применение покрытия электрода, поглощающего фтор, диапазон плотности мощности.
Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении селективности травления TiN по отношению к поликремнию до (1,2-1,5):1, к вольфраму до (1,5-2,0):1, к SiO2 до (3-4):1 при сохранении высокой селективности травления по отношению к алюминию.
Для обоснования выбранных диапазонов параметров процесса по предлагаемому способу травления TiN приведем экспериментальные результаты.
| Таблица 1 | ||||
| Зависимость скоростей травления конструкционных материалов интегральных схем от условий травления (нм/мин) | ||||
| Параметры/Материал | TiN | SiO2 | Si∗ | W |
| CF4(1%)+O2(99%), без покрытия электрода, 2 Вт/см2 | 100 | 70 | 180 | 170 |
| CF4(1%)+O2(99%), с покрытием электрода кремнием | 70 | 50 | 80 | 80 |
| O2+фторопласт (2% Sэ), без покрытия, 2 Вт/см2 | 30 | 10 | 30 | 30 |
| O2+фторопласт (2% Sэ), с покрытием Si, 2 Вт/см | 30 | 10 | 20 | 10 |
| O2+фторопласт (20% Sэ), без покрытия, 2 Вт/см2 | 50 | 20 | 50 | 50 |
| O2+фторопласт (20% Sэ), с покрытием Si, 2 Вт/см2 | 40 | 10 | 30 | 30 |
| O2+фторопласт (10% Sэ), с покрытием Si, 1 Вт/см2 | 20 | 5 | 10 | 10 |
| O2+фторопласт (10% Sэ), с покрытием Si, 3 Вт/см2 | 40 | 10 | 30 | 20 |
Изменение соотношения компонентов плазмы четырехфтористого углерода и кислорода во всем доступном регулированию диапазоне не приводит к положительным результатам. Выделяющийся в большом количестве свободный фтор активно травит поликремний и вольфрам. Даже применение покрытий электрода, поглощающих фтор, существенно не улучшает ситуацию, поскольку фтор непрерывно в большом количестве генерируется из свежих порций газа, поступающего в реактор.
Поскольку для травления TiN необходимы ионы, содержащие фтор, для их получения была выбрана кислородная плазма с присутствующей в ней пластинкой фторопласта, который является полимером и который под действием кислородной плазмы разлагается в основном с образованием COF2. Чтобы образующийся при разложении фторопласта в небольшом количестве свободный фтор не накапливался в реакторе, применяется покрытие электрода, поглощающее фтор.
Ионы 
активно травят TiN в широком диапазоне плотности мощности 1-3 Вт/см2. При плотности мощности менее 1 Вт/см2 время травления слоя TiN значительно возрастает, но это не создает никаких дополнительных положительных эффектов, поэтому нерационально. При плотности мощности более 3 Вт/см2 селективность травления снижается, происходит более глубокое разложение молекул фторопласта и образуется больше фтора.
Давление в реакторе мало сказывается на процессе, поэтому был выбран диапазон давлений, как в прототипе, чтобы не перенастраивать оборудование при смене процесса.
Размер кусочка фторопласта существенной роли не играет, но при его площади менее 2% Sэ скорость травления сильно снижается, а при площади более 20% Sэ снижается селективность травления из-за уменьшения площади покрытия, поглощающего фтор и увеличения выделения фтора с большей площади фторопласта.
В качестве примера рассмотрим применение способа при травлении барьерного слоя нитрида титана толщиной 0,08 мкм на слое SiO2, нанесенного на кремниевую подложку (чип) размерами 3,1×3,3 мм. В слое SiO2 (под слоем нитрида титана) имеются контактные окна к нижележащему слою алюминия, заполненные вольфрамом, который образует контактные столбики. Этот образец помещается на центральную область высокочастотного электрода установки RIE-1C фирмы SAMCO, на котором расположена кремниевая пластина, накрытая кварцевым кольцом толщиной 4 мм, закрывающим электрод и края пластины кроме ее центральной области диаметром 90 мм. Рядом с образцом на кремниевой пластине располагается пластинка фторопласта диаметром 36 мм. Образец обрабатывается в плазме O2 при рабочем давлении 25 Па, высокочастотной мощности 100 Вт (плотность мощности 1,6 Вт/см2) в течение 180 секунд. За это время полностью стравливается слой нитрида титана (0,08 мкм), происходит утонение лежащего вокруг областей TiN слоя SiO2 на 0,03 мкм и практически не видно на электронном микроскопе изменения высоты вольфрамовых контактных столбиков, т.к. после удаления слоя TiN время воздействия плазмы на них было небольшим.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ обладает дополнительным преимуществом. При сохранении одинаковой селективности травления нитрида титана к алюминию данный способ обладает более высокой селективностью по отношению к SiO2 и селективностью по отношению к вольфраму и поликремнию, чем не обладает прототип. Это позволяет использовать предлагаемый процесс для удаления барьерного слоя нитрида титана после жидкостного удаления вышележащего слоя алюминия с сохранением вольфрамовых контактных столбиков и поликремниевых затворов. Применение процесса, выбранного прототипом, для этой цели невозможно, т.к. при малейшем избыточном времени травления происходит очень быстрое вытравливание вольфрамовых контактных столбиков и поликремниевых затворов, когда столбики осуществляют контакт к поликремнию. Приходилось использовать жидкостное травление нитрида титана способом [9] и дополнительную шлифовку поверхности для выравнивания рельефа после значительного заглубления в SiO2. Новый процесс упрощает операцию удаления барьерного слоя и повышает качество ее выполнения.
Источники информации:
1. Патент США №5,207,868.
2. Патент США №5,827,436.
3. Патент США №5,976,986.
4. Патент США №5,846,880.
5. Патент США №5,399,237.
6. Патент США №6,531,404.
7. Патент США №7,244,682.
8. Патент США №7,276,450.
9. Патент РФ №2081207.
10. Сейдман Л.А. Реактивное травление в вакууме слоев нитрида титана и применение их в системах контактной металлизации полупроводниковых приборов / Л.А. Сейдман // Обзоры по ЭТ. Серия 2. Полупроводниковые приборы. - 1988 г., - Вып.6 (1366), - 58 с.
11. Zhang L.C. Thermal stability and barrier height enhancement for refractory metal nitride contacts on GaAs / L.C. Zhang, S.K. Cheung, C.L. Liaug, N.W. Cheung // Appl. Phys. Lett. - 1987. - V.50, -N8. - P.445-447.
12. Патент РФ №2392689.
Способ реактивного ионного травления слоя нитрида титана селективно к двуокиси кремния, поликремнию и вольфраму, включающий обработку слоя нитрида титана в плазме кислорода и фторсодержащего соединения, отличающийся тем, что в качестве фторсодержащего соединения используется продукт разложения в кислородной плазме пластинки фторопласта площадью 2-20% рабочей поверхности высокочастотного электрода, непосредственно травление проводят при плотности высокочастотной мощности 1-3 Вт/см, а рабочую поверхность высокочастотного электрода покрывают кремнием, графитом или другим фторопоглощающим материалом.
