СОСТАВ ГАЗОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ НИТРИД ТАНТАЛОВОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАТВОРА МЕТОДОМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОГО ТРАВЛЕНИЯ
COMPOSITION OF GAS MIXTURE TO FORM TANTALUM NITRIDE METAL GATE BY PLASMA ETCH CHEMISTRY

Область техники.
Изобретение относится к плазмохимической технологии и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов и сверх больших интегральных схем (СБИС), в частности при формировании затворов в КМОП технологиях.
Уровень техники.
Производительность КМОП СБИС обратно пропорциональна размеру затвора. В международной дорожной карте полупроводников приводится зависимость уровня технологии производства полупроводников от длины затвора (Рис.1) (Semiconductor Industrial Association. The international technology roadmap for semiconductor. 2009 - SEMATECH, http://www.itrs.net/Links/2009ITRS/2009Chapters_2009Tables/2009_ExecSum.pdf).
Каждый технологический шаг в направлении уменьшения размеров сопряжен с ростом проблем конструирования и производства, которые приходится решать для обеспечения теоретически прогнозируемых характеристик транзистора. Любое улучшение одних параметров приводит к ухудшению других, причем с уменьшением размеров взаимное влияние параметров становится все более сильным. Одним из путей увеличения передаточной проводимости и нагрузочной способности МОП-транзистора является уменьшение толщины подзатворного окисла. Толщина окисла ограничивается появлением паразитного туннельного тока, который увеличивает энергопотребление микросхемы, и нестабильностью напряжения пробоя окисла, снижающей надежность (Momose H.S., Ohguro Т., Morifuji E., Sugaya H., Nakamura S., Iwai H. Ultrathin Gate oxide CMOS with nondoped selective epitaxial Si channel layer. IEEE Trans. ED. Vol.48. 2001. №6. P.1136-1144).
2
2
2
2
2
Еще одной причиной, мешающей дальнейшему уменьшению размеров транзисторов, является квантово-механическая природа инверсионного слоя, которая не позволяет электронам располагаться непосредственно у поверхности кремния. Максимум пространственного распределения электронов находится на расстоянии около 1 нм от поверхности. Это увеличивает эффективную толщину окисла примерно на 0,3 нм. Кроме того, вследствие ограниченной концентрации примеси в поликремниевом затворе, в нем наступает режим обеднения, из-за которого увеличивается эффективная толщина подзатворного слоя диэлектрика. Общее увеличение эффективной толщины составляет около 0,7 нм, что уменьшает ток стока и нагрузочную способность транзистора. SiO создает два переходных межатомных слоя в кремневом канале. Запрещенная зона в SiO не будет образовываться до тех пор, пока не будет хотя бы 3 моноатомных слоя. Также сообщается о том, что толщина в 0,7 нм является физическим пределом, чтобы SiO приобрел свои свойства по всему объему. При толщине слоя SiO менее 0,7 нм обогащенная кремнием область перехода между каналом и поликремневым затвором в МОП транзисторе перекрывается, приводя к эффекту короткого замыкания через диэлектрик, что говорит о бесполезности использования SiO как изолятора (Brand A., Haranahalli A., Hsieh N., Lin Y.C., Sery G., Stenton N., Woo B.J. Intel's 0.25 Micron, 2.0 Volts Logic Process Technology. Intel Technology Journal. Q3'98. P.1-9).
2
2
Замена традиционных поликремневых затворов металлическими приводит к уменьшению негативных эффектов, таких как: увеличение эффективной толщины диэлектрика и уменьшение подвижности носителей заряда, если одновременно традиционный SiO подзатворный диэлектрик заменить новым НfO материалом с высоким значением константы диэлектрической проницаемости.
Переход к новым материалам затвора и подзатворного диэлектрика вызывает множество проблем при изготовлении ИС. Одной из наиболее важных проблем при интеграции металлических затворов и диэлектриков с высоким значением константы диэлектрической проницаемости является селективность травления затвора к подзатворному диэлектрику, а также селективность травления подзатворного диэлектрика к кремневой подложке.
При травлении структуры металлический затвор/подзатворный диэлектрик с высоким значением константы диэлектрической проницаемости возможны две схемы реализации:
1) Высокоселективное травление металлического затвора относительно подзатворного диэлектрика с последующим высокоселективным удалением подзатворного диэлектрика относительно кремневой подложки методами жидкостного или сухого травления.
2) Высокоселективное травление структуры металлический затвор/подзатворный диэлектрик с высоким значением константы диэлектрической проницаемости относительно кремневой подложки в одном процессе при одном и том же составе газовой смеси. В этом случае высокоселективное травление структуры металлический затвор/подзатворный диэлектрик с высоким значением константы диэлектрической проницаемости необходимо, чтобы уменьшить потерю кремния в ультратонких областях исток/сток.
2
2
Использование TaN в качестве металлического материала затвора обусловлено соответствием его работы выхода. TaN обладает двойной работой выхода 4,05 эВ для n-МОП и 5,43 эВ для p-МОП. TaN инертен к НfO после отжига структуры TaN/HfO не наблюдается никаких интердиффузионных слоев вплоть до температуры 900°С. При использовании нитрида тантала в качестве затвора толщина подзатворного диэлектрика может быть уменьшена до 1,1 нм (Н.Y.Yu, Chi Ren, Yee-Chia Yeo, J.F.Kang, X.P.Wang, Н.Н.Н.Ma, Ming-Fu Li, D.S.Н. Chan, and D.-L. Kwong, Fermi Pinning-Induced Thermal Instability of Metal-Gate Work Functions IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.25, NO.5, MAY 2004, pp.337).
2
Однако существует ряд технологических ограничений. связанных с осаждением толстого слоя TaN. Поэтому поверх TaN осаждается металл, который обеспечивает необходимую проводимость затвора - в нашем случае TiN (у него невысокая температура осаждения - 450°С), но может быть и другой материал (например, поликремний, но у него выше температура осаждения - около 650°С, поэтому для уменьшения температурного удара для подзатворных диэлектриков был выбран TiN). TiN, осажденный непосредственно на HfO подзатворный диэлектрик с высоким значением константы диэлектрической проницаемости, не дает нужных характеристик прибора (неправильная работа выхода).
2
2
2
2
2
2
2
Известен состав газовой смеси для травления нитрид танталового (TaN) металлического затвора в современном КМОП маршруте. Процесс реализуется в реакторе индуктивно-связанной плазмы. В качестве основного газа травителя используется хлор (Сl) в количестве 98-100 об.%, в качестве второй компоненты используется кислород (O) до общего объема газовой смеси в 100 об.% (Wan Sik Hwang, Jinghao Chen, Won Jong Yoo, Vladimir Bliznetsov. Investigation of etching properties of metal nitride/high-k gate stacks using inductively coupled plasma. J. Vac. Sci. Technol. A 23(4) p.964-970, Jul/Aug 2005). Плазма чистого Сl демонстрирует высокую селективность (избирательность) относительно нижележащих слоев подзатворных НfO (high-k) и SiO диэлектриков, но низкую селективность относительно Si. Добавление O в Сl приводит к увеличению селективности травления нитрида тантала к high-k подзатворному диэлектрику с одновременным увеличением его шероховатости и фактическим формированием микромаски на его поверхности.
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является состав газовой смеси для травления нитрид танталового металлического затвора в реакторе индуктивно-связанной плазмы. В качестве основного газа травителя используется трихлорид бора (ВСl) в количестве 90-100 об.%, где в качестве газа добавки используется азот (N) до суммарных 100 об.% (Denis Shamiryan, Vasile Paraschiv, Salvador Eslava-Fernandez, Marc Demand, Mikhail Baklanov, Stephan Beckx, and Werner Boullart. "Profile control of novel non-Si gates using BC1/N plasma" J. Vac. Sci. Technol. В 25 (3), p.739, May/Jim 2007). Плазма чистого ВС1 демонстрирует низкую селективность относительно НfO и SiO, но высокую селективность относительно SL Однако при травлении TaN в чистом ВСl наблюдается подтравливание боковых стенок TaN, т.е. уход (уменьшение) линейных размеров. Добавление N в ВСl позволяет травить TaN металлический затвор в вакуумной камере без бокового подтравливания при концентрации азота свыше 5 об.%, но не более 7 об.%, так как профиль травления становится наклонным за счет интенсификации идущего одновременно с процессом травления процесса осаждения на боковой стенке маскирующих продуктов реакции из газовой фазы. Это, в свою очередь, приводит к загрязнению внутренней поверхности камеры травления и приводит к уменьшению выхода годных чипов за счет генерации привносимой дефектности (микрочастиц) на обрабатываемой поверхности.
Раскрытие изобретения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение времени задержки распространения сигналов, повышение надежности и выхода годных изделии, а также расширение технологических возможностей изготовления изделий.
2
Отличительными признаками по отношению к прототипу, характеризующими изобретение, которые являются также существенными признаками, является разработка газового состава для формирования TaN металлического затвора с одновременным, сквозным травлением подзатворного диэлектрика без изменения параметров конструкторской топологии (т.е. уменьшения линейных размеров) и без подтравливания нижележащего монокристаллического Si (Рис.2). Для травления использовалась следующая структура металлического затвора (сверху вниз), с топологическим размером затвора 65 нанометров: фоторезист, чувствительный к актиничному излучению с длинной волны в 193 нм, толщиной 300 нм, 70 нм органическое антирефлективное покрытие (BARC), (на рис.не показаны) 120 нм оксидная жесткая маска (ЖМ), 70 нм TiN (нанесенного физическим осаждением из газовой фазы (PVD)), 15 нм TaN (PVD), и 3 нм НfO (послойное осаждение ALD) на подложке Si (100).
3
2
2
Указанная цель достигается плазмохимическим травлением пленки нитрида тантала и подзатворного диэлектрика в высокоплотной плазме, состоящей из газовой смеси неорганических соединений. Нами установлено, что если газовая смесь состоит из трихлорида бора (ВСl) в количестве 85-95 об.% и кислорода в количестве 15-5 об.%., сквозное травление металлического затвора TaN и подзатворного диэлектрика HfO-SiO происходит анизотропно, т.е. без бокового подтравливания и высокоселективно по отношению к нижележащему Si. При этом не наблюдается процесса осаждения пленок на боковых стенках формируемого затвора и стенках реактора.
Осуществление изобретения.
Предполагаемое изобретение реализуется следующим образом. Плазмохимическое формирование затвора из нитрида тантала проводили на кремневых подложках диаметром 200 мм, ориентации 100 в реакторе Versys 2300 установки Lam Research, которая широко применяется в технологиях СБИС, (Рис.3).
3
В процессе травления реактивные газы смешиваются и передаются в камеру через газовый ввод в кварцевом диске верхней части реактора, на котором находится индуктор-антена, на которую подается ВЧ-напряжение. Кремниевая пластина располагается на нижнем электроде-подложкодержателе и для термостабилизации прижимается к нему электростатическим прижимом. Суммарный газовый поток в реактор составляет 100 см/мин. Давление в камере травления поддерживается в диапазоне от 3 мТорр до 10 мТорр. Мощность ВЧ, поданная на индуктор, варьируется от 300 Вт до 700 Вт, ионизируя технологические газы для достижения оптимальной концентрации активных травящих частиц. Температура кремниевой пластины поддерживается в диапазоне 60°С. На электрод-подложкодержатель одновременно подается ВЧ-потенциал в диапазоне от 0 В до 100 В, в зависимости от стадии травления, чтобы избежать повреждения ионной бомбардировкой нижележащих активных исток-стоковых кремневых областей, а также вышележащей жесткой маски, что может привести к изменению заданного топологического размера структуры затвора.
2
Скорость травления определялась потерей толщины, измеренной спектроскопическим эллипсометром (KLA Tencor ASET F5, диапазон длины волны 240-800 нм). Химический состав поверхности TaN был определен методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), профили затвора были обследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Для проведения исследований на привносимую дефектность пластины после процессов формирования структуры металлического затвора TaN и подзатворного диэлектрика НfO были отправлены на измерения на установке KLA-Tencor 2815.
Реактор представляет собой цилиндрическую камеру из анодированного алюминия, покрытого слоем керамики (Рис.3). Сверху камеры находится цилиндрическая съемная крышка из анодированного алюминия, покрытого таким же слоем керамики. Температура стенок камеры поддерживается постоянной и равна 60°С, чтобы предотвратить конденсацию продуктов реакции. На верхнем фланце находится кварцевый диск. Он непосредственно касается стенок камеры. Датчик, показывающий температуру, находится в центре кварцевого диска. Плазма возбуждается подачей ВЧ-мощности на антенну, лежащую на кварцевом диске, от генератора мощностью 1500 Вт и рабочей частотой 13.56 МГц. В качестве подложкодержателя используется столик с электростатическим прижимом, охлаждаемым гелием. Гелий вводится под пластину с постоянным давлением 8 мТорр. Уплотняющая резинка на краях подложкодержателя препятствует поступлению гелия в реактор, исключая влияние на параметры процесса. Газы в реактор вводятся из душевого отверстия в центре кварцевого диска. Конструкция камеры позволяет подсоединить одновременно 12 газовых линий. Для достижения вакуума используется турбомолекулярный насос, с максимальной скоростью откачки 2200-2300 л/сек, позволяющий создать минимальное рабочее давление 3 мТорр. Максимальное давление в камере, которое может зафиксировать баротрон, 100 мТорр. Для откачки газов в центре на дне камеры расположено отверстие, обеспечивающее равномерное удаление продуктов реакций и оставшихся технологических газов, которые выбрасываются в скрубберы для нейтрализации. Для управления энергией ионов на подложкодержатель подается ВЧ-мощность от другого генератора, идентичного генератору на верхнем электроде (1500 Вт и 13.56 МГц). Реактор снабжен детектором, позволяющим записывать эмиссионные спектры. Спектры записываются на высоте 10-20 мм от пластины в диапазоне от 200 нм до 900 нм. Пластина подается в реактор роботом без развакуумирования камеры через шлюз. Окно для записи эмиссионных спектров, соединенное с детектором, расположено на боковой стенке на расстоянии 1-2 см от пластины.
3
2
2
2
3
2
2
2
В плазме чистого ВСl, наблюдается боковое подрезание TaN на 5-10 нм, как показано на Рис.4. В случае добавления O, профиль TaN затвора становится прямым (Рис.5) и не зависит от количества O, добавленного в диапазоне 5-15 об.%. При добавлении N в плазму ВС1 профиль TaN сначала изменяет вид от "впадины" до прямого (при добавлении 5 об.% N, Рис.6а) и переходит в вид "стопы" при дальнейшем увеличении концентрации N (более 7 об.% N, Рис.6b).
3
В плазме чистого ВСl измеренная скорость травления TaN составляла приблизительно 8.6 нм/мин, даже в отсутствии смещения подложки. В то же самое время на поверхности Si начинает расти маскирующая пленка со скоростью 20 нм/мин (Рис.7). XPS анализ (таблица 1) показал, что осажденная пленка на TaN состоит из (48%) В, Сl (30%), и О (12%) (измеренное содержание кислорода очевидно связано с окислением пленки в течение экспонирования пластин на воздухе между процессами травления и анализом XPS). Осажденная пленка была настолько толста, что сигнал Та почти не был обнаружен XPS, как показано на Рис.8. Экспертиза пика В 1s (Рис.9) показывает присутствие существенного количества Сl в осажденной пленке. Надо отметить, что осажденная пленка на TaN имеет тот же самый состав, что и при осаждении на Si.
Таблица 1
Относительная поверхностная концентрация элементов на поверхности TaN, измеренная методами XPS. Концентрация O<sub>2</sub> и N<sub>2</sub> в плазме ВСl<sub>3</sub> составляет
Поверхностная концентрация (%)
Элемент
TaN
ВСl<sub>3</sub>
ВСl<sub>3</sub>/O<sub>2</sub>
ВСl<sub>3</sub>/N<sub>2</sub>
Та
35.6
<2
19.7
<2
В
0
48
14.9
43.1
Сl
0
30.6
4.9
18
N
20.2
0
16.5
6.8
O
34.5
12
36.9
23.7
С
9,7
7.3
7
6.5
3
2
2
2
При добавлении небольшого количества кислорода (до 10 об.%) в плазму BCl происходит значительное изменение результатов травления. Скорость травления TaN при нулевом смещении понижается почти до ноля (Рис.7). Скорость осаждения пленки на Si уменьшается с увеличением концентрации O, достигая почти ноля при 5-7 об.% O (Рис.11). XPS анализ осажденной пленки на TaN обнаруживает следы В (по видимому связанный с кислородом, Рис.9), но сигнал Та имеет почти туже самую интенсивность как и у образца пластины TaN, который не подвергся травлению, указывая об осаждении тонкой пленки (Рис.8). На оптических эмиссионных спектрах сильные пики приписаны ВО и ВO (Рис.10). Формирование пленки подавлено кислородом, который убирает бор, предотвращая от участия в осаждении пленки.
3
3
При добавлении азота до 10 об.% в плазму BCl, скорость осаждения пленки на Si почти такая же, как и в чистом BCl (Рис.11). Скорость травления TaN падает почти до ноля при нулевом смещении (Рис.7). Состав осажденной пленки на TaN, проанализированной методами XPS, показывает замену азота на хлор (таблица 1, Рис.9). Никаких новых пиков не обнаружено на оптическом эмиссионном спектре (OES), кроме связанных с атомным и молекулярным азотом (Рис.10).
2
2
3
2
2
-2
-2
Плотность дефектов на поверхности пластины, генерируемых (Рис.12) при травлении структуры TiN/TaN/HfO металлического затвора в плазме смеси 5 об.% O 95 об.% ВСl составляет 0.77 см. При увеличении потока кислорода до 7 об.% O плотность дефектов (Рис.13) структуры TiN/TaN/HfO металлического затвора возросла до 1.45 см, при этом было обнаружено наличие 3 кластеров дефектов (зеленые точки на карте дефектов) с содержанием 57 дефектов.
2
2
3
2
2
3
2
3
2
-2
-2
Плотность дефектов, генерируемых (Рис.14) при травлении структуры TiN/TaN/HfO металлического затвора в плазме смеси 5 об.% N 95 об.% ВС1 составляет 8.01 см. При этом было обнаружено 7 кластеров дефектов с содержанием 560 дефектов. Повышенное содержание дефектов является следствием интенсивного переосаждения продуктов реакции при травлении структуры TiN/TaN/HfO металлического затвора при травлении в плазме смеси N/BCl. Дальнейшее увеличение потока азота в смеси N/BCl до 7 об.% N приводит к образованию 9 кластеров дефектов с содержанием 2319 дефектов и общей плотности дефектов порядка 21.63 см (Рис.15).
2
2
3
3
2
2
2
Таким образом, мы показали, что добавление N или O к плазме ВС1 может значительно изменить механизмы травления TaN через измененный состав осажденной защитной пленки на боковых стенках металлических затворов. Чистая плазма ВСl осаждает богатую хлором пленку В-Сl, которая реагирует с TaN, проводя к боковому подтравливанию. Добавление N изменяет состав пленки от В-Сl до B-N, формируя пассивирующую пленку, которая приводит к прямому или наклонному профилю TaN в зависимости от концентрации N. Интенсивное осаждение продуктов реакции ведет к увеличению привносимой дефектности и, следовательно, к уменьшению выхода годных чипов. Добавление O 5 об.% подавляет формирование В-Сl - содержащей пленки на боковой стенке, следовательно, не происходит боковой атаки TaN реактивными частицами Сl, приводя к прямому профилю TaN.
3
3
3
Дополнительным преимуществом плазмы ВСl является высокая селективность к слою Si за счет пассивирования кремневой поверхности бором, также плазма ВСl травит металлические окиси (кислород легко удаляется, образуя легколетучие соединения ВОСl), что устраняет необходимость последующего шага вскрытия. Таким образом, применение газовой смеси трихлорид бора (ВСl) в количестве 85-95 об % и кислорода до 100 об.% позволяет существенным образом расширить технологические возможности формирования TaN металлического затвора в плазме без изменения параметров топологии и без подтравливания нижележащего структуры затвора Si, а также увеличить выход годных пластин за счет уменьшения привносимой дефектности.