Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в полупроводниковом производстве для селективного, прецизионного травления кремний-металлсодержащих слоев. Целью изобретения является повышение селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элементов формируемого рисунка. Для этого обработку проводят в два этапа. На первом этапе методами сухого травления полностью удаляют кремний из обрабатываемого слоя, на втором - с помощью жидкостного травления в слабой кислотной среде стравливают металлсодержащий остаток . 2 з.п. ф-лы, 3 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5()э Н 01 L 21/302

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4834005/25 (22) 04.06.90 (46) 30.05.93. Бюл. гЬ 20 (71) Производственное объединение "Альфа" им. 60-летия СССР (72) И.О,Стасюк, А.В.Куницин, Н.А.Фоминых, М.M.Èâàíîâñêèé, И.О.Меерталь и С.А.Остапчук (73) Акционерное общество "Альфа" (56) Заявка ФРГ % 3315719. кл. Н 01 L21/90, 1982.

Заявка ЕПВ 1Ф 0219827. кл. Н 01 1 21/285, 85.

Авторское свидетельство СССР

N. 1552935, кл. Н 01 1 21/302. 1988.

Изобретение относится к полупроводниковому производству и предназначено для селективного прецизионного травления кремний-металлсодержащих слоев с кобальтом или титаном в многослойных структурах, содержащих полупроводниковую подложку, диэлектрический слой, кремнийметаллсодержащий слой и органическую полимерную маску, используемых при изготовлении активных и пассивных элементов полупроводниковых интегральных схем (ИС) в качестве низкоомной контактной металлизации, материала многоуровневой электропроводя щей разводки межсоединений элементов, резистивных материалов на основе силицида металла, резистивных слоев (PC) на основе сплавов кремния с металлом. в частности на основе кремний-ко, Ы„1819356 А3 (54) СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ТРАВЛЕНИЯ КРЕМНИЙ-METAËËÑÎÄÅÐÆÀÙEÃO

СЛОЯ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ (57) Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в полупро- водниковом производстве для селективного, прецизионного травления кремний-металлсодержащих слоев. Цел ью изобретения является повышение селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения разме ров элементов формируемого рисунка. Для этого обработку проводят в два этапа. На первом этапе методами сухого травления полностью удаляют кремний из обрабатываемого слоя, на втором — с помощью жидкостного травления в слабой кислотной среде стравливают металлсодержащий остаток, 2 з.п, ф-лы, 3 табл. бальтсодержащих сплавов типа PC 300К. кремний-кобальт-титансодержащих сплавов типа PC 2310K и т.п., применяемых в качестве материалов для прецизионных тонкопленочных резисторов (ТПР), реэистивных матриц преобразователей информации цифроаналоговых (ЦАП), аналогоцифровых (АЦП), больших и сверхбольших интегральных схем (БИС. СБИС), Цель изобретения — повышение селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элементов формируемого рисунка.

На первой стадии — "сухое" травление— происходит полное удаление кремния иэ слоя (модификация кремний-металлсодер1819356 жащего слоя) в вытравливаемых областях, незащищенных органической полимерной маской, с образованием в этих областях металлсодержащего остатка в виде осадка на основе кобальта или титана, предотвращающего травление нижележащего слоя диэлектрика и боковое подтравливание кремнийсодержащего слоя под органическую полимерную маску, На второй стадии — жидкостное травление — происходит полное удаление металлсодержащего остатка, причем селективно относительно необработанного в плазме кремний-металлсодержащего слоя, а также слоев кремния и диэлектрических слоев, а именно двуокиси кремния (Si02), нитрида кремния ($!зй4), фосфорно-силикатного стекла (ФСС) и т.п, О полном вытравливании кремния из металл-кремниевого слоя на всю глубину судят по исчезновению металлического блеска пластины в вытравливаемых (не защищенных маской) областях и образованию на них полупрозрачного красновато-бурого осадка.

Физико-химический механизм предложенного способа травления заключается в том, что в течение плазменной обработки происходит полное удаление кремния из кремний-металлсодержащего слоя (кремний-кобальт- и кремний-титан-содержащего материала) в областях, не защищенных маской,благодаря образованию на поверхности слоя и в его глубине летучих фторидов или хлоридов кремния, для чего условия плазменной обработки выбираются таким образом, чтобы обеспечить эффективную диффузию атомов галогена вглубь обрабатываемого материала и выход летучих галогенидов кремния из.кремний-металлсодержащего материала.

После проведения плазменной обработки в областях,не защищенных маской остается рыхлая пленка рыжевато-красного оттенка, толщина которой составляет 10 — 30 нм, Эта пленка препятствует травлению лежащих под протравливаемым слоем диэлектриков Я!зй4 или SiOz. Очевидно, данная пленка (остаток) состоит из нелетучих галогенсодержащих соединений металла (кобальта-титана), а также углерода, бора, серы, и т,д. (конкретный вид нелетучих соединений в пленке определяется видом применяемого галогенсодержащего плаэмообразующего реагента). Далее эту пленку, основу которой составляют металлсодержащие соединения, травят в жидкостном травителе (не травящем кремний) и травящим металл (кобальт, титан) более чем в 5 раз быстрее, чем двуокись кремния.

Таким образом, первая стадия процесса

"сухого" травления обеспечивает прецизионное травление, т.е, минимальное отклонение геометрических размеров формируемых элементов от размеров органической маски, а вторая стадия процесса жидкостного травления обеспечивает селективность травления остатка кремний-металлсодержащего слоя относительно других материа10 лов многослойной структуры, Минимальная величина разности потенциалов между обрабатываемой подложкой и заземленными поверхностями реактора во время плазменной обработки, при которой достигается поставленная цель, составляет ОВ, что соответствует размещению подложки на заземленном электроде реактора плазменной обработки в стандартных п роцессах плазмохимического

20 травления, при котором легко протекает удаление кремния из кремний-металлсодержащего слоя и образование "пассивирующей" пленки.

Максимальное по абсолютной величине значение разности потенциалов между обрабатываемой подложкой и заземленными поверхностями реактора, при котором достигается поставленная цель, составляет—

300В, что соответствует размещению подЗ0 ложки на ВЧ-электроде в стандартных процессах реактивного ионоплаэменного травления. Если величина разности потенциалов подложки и заземленных поверхностей реактора превышает 300В, то

З5 "пассивирующий" металлсодержащий остаток не образуется на обрабатываемой поверхности, при этом происходит выравнивание скоростей травления металла и кремния, что не позволяет обеспечить се40 лективного травления кремний-металлсодержащего материала относительно диэлектриков.

Оптимальная величина значений разности потенциалов обрабатываемой подложки

45 и заземленных поверхностей реактора составляет — (180 — 280)В, т.к. в этом случае для образования "пассивирующего" остатка в виде пленки требуется наименьшая продолжительность плазменной обработки, 50 Удельная мощность разряда и температура обрабатываемой подложки совокупно характеризуют интенсивность образования и диффузии активных частиц вглубь обрабатываемого материала, а значит, ин55 тенсивность удаления кремния из кремнийметаллсодержащего слоя.

Минимальная удельная мощность разряда и температура обрабатываемой поверхности, при которых реализуется заявляемый способ, составляют соответствен1819356 но 0,3 Вт/см и 30 С. Если значения этих параметров ниже укаэанных величин, то процесс удаления кремния из кремний-металлсодержащего материала протекает очень медленно, а значит, очень низка про-. 5 изводительность способа, что не позволяет его использовать в производстве.

Максимальная удельная мощность разряда и температура обрабатываемой поверхности, при которых реализуется за- 10 являемый способ, составляют 1,0 Вт/см и

150 С соответственно. При более высокой удельной мощности разряда и температуре обрабатываемой поверхности образующийся в результате плазменной обработки ме- 15 таллсодержащий остаток в виде пленки не может предотвратить локального подтравливания диэлектриков, лежащих под ним во время плазменной обработки, а значит, поставленная цель не достигается. 20

Оптимальное значение удельной мощности разряда и температуры обрабатываемой поверхности составляют соответственно 0.5 — 0,8 Вт/см и (80 — 130) С. В этом случае образование "пассивирующей" 25 . пленки протекает за минимальное время и пленка надежно предотвращает травление

$102 и SigN4, лежащих под ней.

Стабильное образование нелетучего осадка,."пассивирующего" поверхность ИС, 30 лежащую под PC-слоем, возможно только в условиях, когда отсутствуют условия эффективного распыления соединений CoFX, CoCFg, TiFt, TiCF . Установлено, что для обеспечения этого условия температура об- 35 рабатываемой поверхности не должна превышать 200 С, а энергия бомбардирующих ее ионов — 0,4 кВ, при этом для того, чтобы не применять в технологическом цикле дополнительные обработки маски, повышаю- 40 щие ее плазмостойкость, необходимо температуру обрабатываемой поверхности не повышать более 150 С.

Стравливание металлсодержащего, в частности кобальт(титан)содержащего . 45 слоя, образованного после первой стадии травления — плазменной обработки при комнатных температурах, целесообразно проводить в слабых водных растворах на основе плавиковой кислоты или смеси пла- 50 виковой кислоты и фтористого аммония. Установлено, что, если суммарное содержание фторсодержащего компонента менее 1, то обработанный плазмой слой практически перестает травиться. Если же 55 суммарное содержание фторсодержащих компонентов, являющихся источником ионов фтора, превышает 6, то резко возрастает скорость травления окислов кремния, что не позволяет осуществлять селективное травление металл-кремнийсодержащего слоя. Оптимальная суммарная концентрация фторсодержащего компонента в жидкостном травителе составляет

2,5 — 4,7, при этом травление модифицированного слоя протекает быстро, воспроизводимо и с высокой селективностью относительно окислов кремния, Способ травления реализуют следующим образом: — формируют многослойную структуру известными стандартными методами планарной технологии, в которой на полупроводниковой подложке, например пластине кремния, создают диэлектрические изолирующие слои, например термически выращенную двуокись кремния (SION, нитрида кремния ($)за), фосфорно-силикатного стекла (ФСС) или их комбинации, на которых формируют кремний-металлсодержащий слой на основе кобальта (Со) и (или) титана (Ti) путем, например, совместимого катодного распыления мишени из металла и мишени из кремния с последующим отжигом наносимого слоя, либо в виде металлкремниевого (кобальт-кремниевого или титан-кремниевого) сплава в виде резистивных слоев типа PC 3000К (Со — 30, Si-70 ), PC 2310К (Со — 10, Ti — 23, St— - 67 (,) и других, например путем одновременно ионноплазменного распыления их из мишени, с содержанием металла в слое не более 40ф, после чего на поверхности кремний-металлсодержащего слоя наносят органическую маску, например из фоторезиста с последующим образованием в ней рисунка задан-. ной конфигурации; — формируют рисунок металлизации в кремний-металлсодержащем слое путем о0работки поверхности слоя травлением в две стадии: а) проводят первую стадию "сухого" травления поверхности кремний-металлсодержащего слоя в структуре,дпя чего: — подложку со сформированными слоями на основе кремний-металлсодержащего слоя загружают в реакционно-разрядную камеру (реактор) ионно-плазменного травления, например в серийную установку РИТ и ПХТ типов 08I1X0100T-005 и 08ПХ0100Т004, и размещают на электроде-подложкодержателе, — проводят откачку реактора до остаточного давления порядка 10 Па, — проводят напуск в реакторе галогенсодержащего газа, например тетрафтормета на (С F4) тетрахлорметана (С Сi4), гексафторид серы (SFs) трифтортрихлорэтан (С РзС1з) или их смеси с добавлением кислорода (Ог), и обеспечивают давление

1819356

10

55 активного плаэмообразующего галогенсодержащего реагентз в пределах от 1 до

80 Па, — зажигают плазму высокочастотного (ВЧ) разряда (тлеющий разряд) и поддерживают уровень удельной мощности ВЧ оаэряда в пределах от 0,3 до 1,0 Вт/см, а абсолютную разность потенциалов между электродом-подложкодержателем и заземленными поверхностями реактора поддерживают не более 0,3 кВ и воздействуют на галогенсодержэщий реэгент ВЧ-разрядом, при этом потенциал на ВЧ-электроде равный О, означает размещение подложки на заземленном электроде. — устанавливают заданную температуру на электроде-подложкодержателе и регулируют ее с помощью температуры воды, подаваемой в рубашку охлаждения подложкодержателя, и нагрева плазмой, при этом температуру подложки поддерживают в пределах от 30 до 150 С; — производят травление кремний-Металлсодержащего слоя в течение времени, .необходимого для образования летучего соединения кремния с химически активными радикалами, образующимися при диссоциации под действием ВЧ-напряжения гэзбобразного плаэмообразующего реагента, взаимодействующими с материалом поверхности обрабатываемого слоя. и обеспечивающего полное удаление кремния, которое фиксируют по исчезновению металлического блеска с поверхности вытраэливаемого рисунка и появления полупрозрачного красновато-бурого цвета остатка -металлсодержащего осадка, — которые определяют визуально; б) проводят вторую стадию жидкостного травления модифицированного плазмой металлсодержащего остатка в водном растворе слабой кислотной. среды с ионами фтора при суммарном содержании фторсодержащего компонента от 1 до 6 обьемных процентов, в частности в качестве жидкостного травителя используют смесь плавиковой кислоты . (HF), фтористого аммония (NH4F), перекиси водорода (H202) и воды (HzO) при обьемном соотношении компонентов

HF: NH4F: Н202: НгО = 17: 90: 640: 1300.

Продолжительность обработки проводят в течение времени, необходимого для полного удаления металлического остатка, при этом происходит полное стравливание металлсодержащего остатка селективно относительно необработанного (защищенного маской) кремний-металлсодержащего слоя, а также диэлектрических слоев $Ют, $!эйли, ФСС и полупроводниковой подложки из кремния, т.е. обеспечивается селективность травления кремнийсодержащего слоя относительно других материалов многослойной структуры.

Результаты экспериментальных исследований показали, что оптимальными условиями проведения первой стадии "сухого" травления металл-кремнийсодержащих слове согласно заявляемому способу являются: — серийное оборудование — установка плэзмохимического травления 08ПХ0100Т004, — плазмообразующий газообразный галогенсодержзщий реагент — чистый тетрафторметан (фреон) СЕ4, — параметры процесса:

20 а) плотность мощности ВЧ-разряда от

0,3 до 1,0 Вт/см, б) температура обрабатываемой поверхности слоя ег 30 до 150 С г) абсолютная разность потенциалов между электродом-подложкодержзтелем и заземленными поверхностями реактора не более 0,3 кВ, д) время (продолжительность) обработки от 1 до 4 мин.

Для второй стадии прецизионного селективного травления (жидкостного травления кремний-металлсодержащих слоев следует использовать слабые травители на основе фтористой кислоты и фтористого аммония) определено, что оптимальный травитель имеет следующий состав: HF: NHF4:

НгОя: НзО при следующем соотношении ингредиентов: f7: 90: 640: 1300.

Преимущество данного травителя перед другими испытанными травителями состоит не только в наиболее высокой селективности, ио и в облегченном контроле за протеканием процесса травления модифицированного плазмой кремний-металлсо45 держащего слоя, который сопровождается интенсивным образованием пузырьков, а их исчезновение свидетельствует об окончании вытравливания слоя металла с обрабатываемой поверхности. Следует отметить, что дополнительная выдержка пластин в травителе даже в течение 1-2 мин, не приводит к каким-либо изменениям сформированныхх структур.

Согласно заявляемому способу была произведена реализация процессов селективного прецизионного травления резистивных кремний-кобальтсодержащих и кремний-титансодержащих слоев типов РС3000К и РС-2310К.

1819356

10

На поверхности тестовой подложки со структурой МОП СБИС наносился слой РС3000К. который отжигом в вакууме при температуре 700 С превращался в слой Со$12 толщиной 100,0 нм, Стандартными методами фотолитографии формировалась маска из фоторезиста

ФП-051Т с рисунком токоведущей разводки

СБИС. Подложка помещалась в реактор модернизированной установки 08ПХ0100Т005 на ВЧ-электрод. Проводилась откачка реактора до остаточного давления 0,1 Па.

Вводилась парогазовая смесь $Ее+ С2ЕзС1з с параметрами (расход $Р6 5 л/ч, расход

С2ЕзС1з — 6 л/час, общее давление смеси в реакторе 5 Па). Проводилась обработка подложки в плазме, при которой удельная мощность разряда составляла — 1,0 Вт/см, 2 температура обрабатываемой поверхности — 150 С, разность потенциалов между подложкой и заземленными поверхностями реактора составляла -3008), Длительность плазменной обработки составляла 10 мин, за это время на подложке образовывалась красновато-бурая "пассивирующая" пленка. После плазменной обработки проводилась жидкостная обработка подложки в травителе HF: NH4F: H202 . Н20 = 17: 90:

640: 1300 при комнатной температуре

22+2 С в течение 2 мин, Удаление маски проводилось в кислородной плазме. Подтрав $102 не превышал 2 нм, отклонения размеров элементов от размеров маски не превышали 0,2 мкм.

Способ селективного прецизионного травления кремний-кобальт и кремний-титансодержащих резистивных. слоев, включающий двухстадийное травление ("сухое" травление и жидкостное травление) имеет более высокую производительность процесса травления по сравнению с известными способами-аналогами и существенно более высокую селективность (избирательность) травления относительно диэлектрических слоев и кремния в 10 — 100 раз и выше аналогов.

Разработанная технология процессов селективного прецизионного травления резистивных слоев реализуется на дешевом и простом серийном оборудовании и не требует применения дорогостоящих систем контроля окончания процесса травления, Использование заявляемого способа в производстве ИС с элементами на основе кремний-кобальт и кремний-титансодержащих материалов снижает издержки производства за счет использования дешевого высокопроизводительного оборудования

50 плазмохимического или реактивного ионно плазменного травления и обеспечивает селективное прецизионное травление кремний-металлсодержащих материалов относительно диэлектриков, что позволяет резко повысить надежность изготовления резисторов ЦАП и АЦП. а также низкоомной разводки металлиэации полуп роводниковых БИС и СБИС.

Формула изобретения

1, Способ селективного травления кремний-металлсодержащего слоя в многослойных структурах, состоящих из полупроводниковой подложки, диэлектрического слоя и кремний-металлсодержащего слоя с кобальтом или титаном при содержании металла в слое не более 40, включающий формирование на поверхности структуры органической полимерной маски и обработку в плазме высокочастотного тлеющего разряда галогенсодержащего реагента, отличающийся тем, что, с целью повышения селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элементов формируемого рисунка, обработку поверхности слоя проводят в две стадии, на .первой стадии "сухого" травления обработку проводят при плотности мощности разряда 0,3-1,0 Вт/см, абсолютной величине г разности потенциалов между электродомподложкодержателем и заземленными поверхностями реактора не более 0,3 кВ, температуре обрабатываемой подложки

30 — 150 С до полного удаления кремния из протравливаемого слоя, а вторую стадию проводят методом жидкостного травления в слабой кислотной среде с ионами фтора при суммарном содержании фторсодержащего компонента от 1 до 6 объемных процентов.

2. Способ поп.1, отл ича ющийс я тем, что время окончания первой стадии "сухого" травления фиксируют по исчезновению металлического блеска на поверхности вытравливаемого рисунка, которое определяют визуально.

3, Способ по п,1, отл и ч а ю щи йс я тем, что в качестве жидкостного травителя на второй стадии травления используют смесь плавиковой кислоты (HF), фтористого аммония (NH4F), перекиси водорода (H202) и воды (H20) при объемном соотношении ингредиентов

HF: NH4F: H2O2 . Н20 =- 17: 90: 640; 1300.

Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах 

 

Похожие патенты:

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для полирования полупроводниковых частиц

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для крепления полупроводниковых пластин при полировании

Изобретение относится к области ионно-плазменной обработки и может найти применение в микроэлектронике при производстве интегральных схем

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в производстве пластин арсенида галлия на стадии финишного копирования

Изобретение относится к полупроводниковой технике и направлено на повышение технологичности процессов механической обработки, выхода годных пластин, в частности, из материалов группы A3B5 в случае получения пластин с допуском диаметра 0,3 мм и менее

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности, к технологии изготовления полупроводниковых структур, являющихся элементной базой функциональной микроэлектроники и может быть использовано в технологии изготовления интегральных газовых датчиков с тонкими мембранами /1- 5 мкм/, а также мембран для рентгеновских фотошаблонов

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в производстве полупроводниковых лазерных диодов и светодиодов

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых структур, получаемых:- путем механического утонения структур с нерабочей стороны структур до фиксированной толщины, например до толщины 6-20 мкм;- путем термического соединения (сварки через окисел) двух пластин разной проводимости, легирования и кристаллографической ориентации и механического утонения одной из пластин до фиксированной толщины, например до толщины 6-10 мкм;- путем механической или химико-механической доводки структур для выравнивания планарного рельефа, удаления дефектов с использованием Stop-процесса

Изобретение относится к способам термохимического травления тугоплавких химически стойких материалов, в частности к методам локального травления их поверхности, например, с использованием локального лазерного облучения

Изобретение относится к технике полупроводникового производства и может быть использовано для формирования многоуровневых межсоединений СБИС, в частности, для планаризации поверхности межслойного диэлектрика, межуровневого диэлектрика, для получения вертикальных проводников, диффузионно-барьерных слоев и адгезионных слоев на операциях подготовки поверхности пластин, например, при химико-механической полировке с последующей отмывкой их (гидромеханической, мегазвуковой и др.)

Изобретение относится к электронной промышленности, а именно к фотошаблонным заготовкам (ФШЗ), предназначенным для формирования рисунка микроизображения при изготовлении интегральных схем

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении пластин из слитков или булей монокристаллов, например, сапфиров

Изобретение относится к производству изделий электронной техники и может быть использовано, например, на операциях очистки полупроводниковых пластин с помощью щеток и мегазвука
Наверх