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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для генерирования плазмы высокой плотности и может быть использовано для травления изделий микроэлектроники. Устройство для плазмохимического травления содержит вакуумную камеру, генератор переменного напряжения высокой частоты и подложкодержатель с обрабатываемым изделием.

Изобретение относится к технологии производства электронных компонентов для микро- и наносистемной техники. .

Изобретение относится к устройствам локального травления тонких пленок микроэлектроники. .

Изобретение относится к технологии полупроводникового производства, в частности к формированию затворов в КМОП технологии. .

Изобретение относится к способам общего назначения для обработки материалов с помощью электрической энергии и может быть использовано в технологии полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, в частности к технологии полупроводниковых приборов. .
Изобретение относится к области вакуумно-плазменной обработки (очистки, осаждения, травления и т.д.) потоками ионов, атомов, молекул и радикалов инертных или химически активных газов слоев и пленочных материалов на ленточных носителях в микро- и наноэлектронике, оптике, гелиоэнергетике, стекольной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к реакторам для высокоплотной и высокочастотной плазменной обработки полупроводниковых структур. .
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления интегральных пьезоэлектрических устройств - фильтров, резонаторов, линий задержки на поверхностных акустических волнах.

Изобретение относится к технологии производства приборов микро- и наноэлектроники, связанной с травлением и выращиванием структур на поверхности материалов, в т.ч.

Изобретение относится к СВЧ плазменным устройствам для проведения процессов осаждения и травления слоев - металлов, полупроводников, диэлектриков и может быть использовано в технологических процессах создания полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции, работающих в экстремальных условиях. Изобретение обеспечивает улучшение равномерности обработки и повышение скорости формирования слоев. В устройстве СВЧ плазменной обработки пластин, содержащем волноводный тракт, огибающий боковую стенку реакционной камеры, через центр широкой стенки волноводного тракта перпендикулярно к ней проходят несколько разрядных трубок, а в местах их входа и выхода из волноводного тракта накладывается магнитное поле для создания условий электронного циклотронного резонанса, волноводный тракт выполняют кольцевым и располагают на боковой стенке реакционной камеры так, что разрядные трубки размещаются в одной плоскости, параллельной обрабатываемой пластине, а над обрабатываемой пластиной вне реакционной камеры на ее крышке, выполненной из прозрачного для СВЧ материала, располагают плоскую двухзаходную спиральную СВЧ антенну, под обрабатываемой пластиной для ее нагрева размещают еще одну плоскую двухзаходную спиральную СВЧ антенну. 2 ил.

Изобретение относится к СВЧ плазменным установкам для проведения процессов травления и осаждения слоев - металлов, полупроводников, диэлектриков при пониженном давлении и может быть использовано в технологических процессах создания полупроводниковых приборов с высокой степенью интеграции. Изобретение обеспечивает улучшение равномерности обработки кремниевых пластин, упрощение настройки горения плазмы в каждой разрядной трубке. Устройство СВЧ плазменной обработки содержит волноводный тракт, огибающий боковую стенку реакционной камеры, через центр широкой стенки волноводного тракта перпендикулярно к камере проходят несколько разрядных трубок, а в местах их входа и выхода в волноводный тракт накладывается магнитное поле для создания условий электронного циклотронного резонанса. Для обеспечения одинаковых параметров плазмы волноводные тракты, выполненные кольцевыми, расположены на стенке реакционной камеры ярусами со смещением разрядных трубок в ярусах друг относительно друга, а также дополнительно введен электрод, через который вводятся газы. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектронной техники и микроэлектроники и может быть использовано для плазмохимической обработки подложек из поликора и ситалла. В способе плазмохимической обработки подложек из поликора и ситалла производят предварительную протирку изделий спиртом со всех сторон, включая протирку всех торцов подложки, производят предварительный обдув изделий нейтральным газом, помещают изделия в камеру плазменной установки вместе с подобным образцом - свидетелем, производят очистку изделий в среде доминирования кислорода при мощности 500-600 Вт, давлении процесса 800-900 мТорр в течение 10-20 минут, проверяют качество обработки поверхности по свидетелю методом краевого угла смачивания по окончании очистки. Изобретение обеспечивает повышение качества очистки подложек из поликора и ситалла перед напылением, в частности удаление оксидных пленок, органики, сокращение времени и экономических затрат на выполнение операций очистки. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электронной технике СВЧ. Способ селективного реактивного ионного травления полупроводниковой гетероструктуры, имеющей, по меньшей мере, последовательность слоев GaAs/AlGaAs с заданными характеристиками, включает расположение полупроводниковой гетероструктуры на подложкодержателе в реакторе системы реактивного ионного травления с обеспечением контактирования слоя арсенида галлия с плазмой технологических газов, подачу в реактор технологических газов и последующее селективное реактивное ионное травление при заданных параметрах технологического режима. В способе используют полупроводниковую гетероструктуру, имеющую слой AlGaAs толщиной не менее 10 нм, с содержанием химических элементов AlxGa1-xAs при x, равном либо большем 0,22, в качестве технологических газов используют смесь трихлорида бора и гексафторида серы при соотношении (2:1)-(9:1) соответственно, селективное реактивное ионное травление осуществляют при давлении в реакторе 2-7 Па, мощности, подаваемой в разряд 15-50 Вт, температуре подложкодержателя 21-23°С, общем расходе технологических газов 15-25 мл/мин. Технический результат - повышение выхода годных путем повышения селективности, контролируемости, воспроизводимости, анизотропии и снижения неравномерности, плотности дефектов и загрязнений на поверхности полупроводниковой гетероструктуры. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.
Наверх