СПОСОБ РЕАКТИВНОГО ИОННОГО ТРАВЛЕНИЯ СЛОЯ НИТРИДА ТИТАНА СЕЛЕКТИВНО К АЛЮМИНИЮ И ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ
METHOD FOR REACTIVE ION ETCHING TITANIUM NITRIDE LAYER SELECTIVELY TO ALUMINIUM OR SILICON DIOXIDE

Изобретение относится к микроэлектронике, технологии контроля и анализа структуры интегральных схем (ИС), к процессам сухого плазменного травления.
2
2
2
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 (SiO), когда слой TiN травится вместе с алюминием (Al) [1, 2, 3], либо селективно к Al, когда он травится вместе со слоем SiO [4, 5, 6, 7, 8]. Однако, при послойном анализе структуры ИС часто возникает необходимость удалить слой TiN селективно и к Al, и к SiO. Особенно это важно при проведении работ по обратному проектированию ИС, то есть при восстановлении электрической схемы по изображениям топологических слоев ИС.
3
3
3
2
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/см) 70-100, соляную кислоту (d=1,198 г/см 40-80; фосфорную кислоту (d=1,870 г/см) 100-290. Он предназначен для удаления слоя нитрида титана со стальных изделий и имеет низкую селективность и к Al и к SiO.
3
4
2
2
3
Известен другой способ травления TiN [10]. Он состоит в реактивном ионном травлении нитрида титана в плазме смеси треххлористого бора (BCl), четыреххлористого углерода (CCl) и кислорода (O) при соотношении компонентов (измеренном по величине газовых потоков в см/мин) 30:8:2, при давлении 9 Па, высокочастотной мощности 200-400 Вт. Селективность травления TiN к SiO 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.
4
2
2
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 (CF) и 10% О 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 SiO, который травится в 5-6 раз быстрее, чем TiN.
2
Задачей, на решение которой направлено это изобретение, является увеличение селективности травления слоя нитрида титана по отношению к SiO при сохранении высокой селективности травления по отношению к Al.
4
3
2
Поставленная задача решается в способе, включающем реактивное ионное травление слоя нитрида титана до алюминия и двуокиси кремния в плазме смеси четырехфтористого углерода (CF) и кислорода, отличающемся тем, что травление проводят при соотношении компонентов (заданном величиной газовых потоков в см/мин) 5:(30-40), рабочем давлении 20-30 Па и плотности высокочастотной мощности 8-16 Вт/см, которая достигается уменьшением активной площади высокочастотного электрода путем наложения на него кварцевого кольца толщиной более 3 мм для концентрации плазмы в области обработки.
2
2
2
Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: 1) изменение соотношения компонентов плазмы до получения значительного избытка кислорода, при котором скорость травления SiO 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 SiO, 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 SiO, 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).
2
Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении селективности травления TiN по отношению к SiO до (1,5-2,2):1 при сохранении высокой селективности травления по отношению к алюминию.
2
2
2
2
Для обоснования выбранных диапазонов параметров процесса по предлагаемому способу травления TiN приведем экспериментальные результаты. Кривая зависимости селективности травления TiN по отношению к SiO 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 SiO 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/см 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/см 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.
2
4
2
2
3
2
В качестве примера рассмотрим опробирование способа при травлении антиотражающего слоя нитрида титана толщиной 0,1 мкм на Al проводниках, лежащих на слое SiO, 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 CF+О при соотношении компонентов (см/мин) 5:35, рабочем давлении 25 Па, высокочастотной мощности 150 Вт (плотность мощности 12 Вт/см) в течение 10 секунд. За это время полностью стравливается слой нитрида титана (0,1 мкм), происходит утонение лежащего вокруг Al проводников слоя SiO на 0,05 мкм и практически не изменяется толщина слоя Al на проводниках.