СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО ТРАВЛЕНИЯ ДВУОКИСИ КРЕМНИЯ
METHOD OF LOCAL ETCHING OF SILICON DIOXIDE

Изобретение относится к микроэлектронике, способам контроля и анализа структуры интегральных схем (ИС), преимущественно при микро- и макроскопическом исследованиях, к процессам жидкостного химического травления.
В ходе анализа структуры микросхем применяются способы последовательного удаления топологических слоев. Для этого используются процессы плазмохимического и жидкостного травления, а также процессы планаризации поверхности диэлектрика. Планаризация осуществляется методом абразивной шлифовки и, в целом, дает хорошие результаты, но бывают кристаллы, которые невозможно шлифовать без образования клина, локальных областей недошлифовки или перешлифовки. Это связано с тем, что скорость шлифовки даже однородного материала зависит от геометрии рельефа поверхности. В областях, где рельеф образован только редкими узкими выступающими элементами, скорость шлифовки значительно выше, чем в областях, где много широких элементов или плотность элементов очень высока. В этих случаях образуется разнотолщинность остаточного слоя. Без ее устранения невозможен дальнейший анализ кристалла ИС, поскольку травление неравномерного по толщине слоя диэлектрика приводит к повреждению нижележащих слоев.
Особенно сильно этот дефект сказывается при обработке ИС с медной металлизацией, имеющих меньшие толщины слоев, чем у ИС с алюминиевой металлизацией. Устранить или уменьшить перекос толщины диэлектрика можно локальным травлением тех областей, где толщина слоя больше.
Известен способ локального травления двуокиси кремния с применением фотомаски, который заключается в нанесении на поверхность образца слоя фоточувствительного лака (фоторезиста), засветки его ультрафиолетовым излучением в нужных местах через специальный шаблон, пропускающий свет в одних местах и не пропускающий в других, растворение засвеченных или наоборот незасвеченных, в зависимости от типа фоторезиста, участков и травление слоя двуокиси кремния на открытых участках жидкостным или плазмохимическим способом [1]. Его недостатком является сложность реализации и необходимость изготовления специального шаблона для каждого конкретного случая.
Известен способ локального травления немагнитных материалов, в котором в качестве маски для защиты отдельных областей поверхности от травления используют магнитную жидкость, которую удерживают над заданными областями и перемещают по поверхности магнитным полем [2]. Недостатком этого способа являются невозможность выделения в магнитной жидкости, покрывающей всю поверхность кристалла ИС, открытой малой области, где травление следует проводить. Этот способ пригоден только для защиты от травления островка на поверхности, когда остальная часть травится. Кроме того, магнитная жидкость не позволяет защищать области микронных размеров, поскольку не удается получать ее капли таких размеров.
Известны способы безмасочного локального травления путем воздействия на поверхность фокусированным ионным пучком, которые применяют, например, для маркировки алмазов, подготовки образцов для просвечивающей электронной микроскопии, создания ямок на поверхности образца или осаждения модифицированного покрытия [3, 4, 5]. Область воздействия и количество удаляемого материала можно легко задать с помощью компьютера, управляющего пучком. Недостатком этих способов является необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования и низкая оперативность в работе, поскольку все действия с образцом производятся в глубоком вакууме.
Известен способ фотолитического газового травления двуокиси кремния, который состоит в том, что образец помещают в специальную газовую среду (смесь гексафторида серы с аргоном), которая в обычных условиях не вызывает травления двуокиси кремния, но при освещении поверхности образца коротковолновым ультрафиолетовым излучением травление происходит [6]. Для обеспечения локальности травления достаточно сфокусировать излучение на достаточно малой площади образца в нужной области. К числу недостатков этого способа можно отнести необходимость иметь специальное оборудование: источник коротковолнового излучения с системой фокусировки и камеру для травления, а также сложность контроля фокусировки невидимых ультрафиолетовых лучей и низкие скорости травления.
Известен способ локального безмасочного травления двуокиси кремния в газовом разряде, предполагающий формирование разряда непосредственно над теми участками поверхности, которые должны травиться [7]. Для этого на поверхности электрода, расположенного над обрабатываемым материалом, гравируется негативное изображение требуемого рисунка травления. При этом разряд локализуется у выступающих элементов электрода, а объем разряда чрезвычайно мал. Способ позволяет вытравливать ямки размером от 0,01 до 100 мм, но для достижения намеченной цели он мало пригоден. Его недостатком является сложность формирования электрода с негативным изображением требуемого рисунка травления, который для каждого конкретного случая будет другим. Затруднение возникает и при попытке точного совмещения выступающей области электрода с областью, где нужно производить травление, поскольку зазор между выступающей частью электрода и обрабатываемой поверхностью должен быть очень мал.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ локального травления материалов путем нанесения на заданные для травления места поверхности гранул полимера, предварительно выдержанных в травящем составе до набухания [8]. Недостатком этого способа для достижения заявленной цели является сложность манипулирования с гранулами микронных размеров, которые нужно извлечь из травящего состава и разместить на заданной области обрабатываемой поверхности. Влажные гранулы липнут к пинцету или лопаточке, которыми их извлекают из раствора, поэтому их трудно разместить на заданной области поверхности. Кроме того, запас травителя в микрогранулах микронных размеров мал, процесс их нанесения на поверхность придется повторять многократно, чтобы стравить слой необходимой толщины.
Задачей данного изобретения является устранение разнотолщинности слоя двуокиси кремния на кристалле ИС посредством локального дотравливания областей с большей толщиной.
Поставленная задача решается в способе локального травления двуокиси кремния преимущественно при микро- и макроскопическом исследованиях, включающем локализацию поверхности травления и ее взаимодействие с травильным составом посредством размещения на заданных участках поверхности гранул полимера, предварительно выдержанных в травильном составе, отличающемся тем, что вместо гранул полимера используют заостренный стержень из пористого материала, а травление слоя двуокиси кремния осуществляют только во время касания слоя острием стержня, которым проводят по поверхности, подвергаемой травлению. Таким стержнем может быть тонкая деревянная палочка (например, спичка) или стержень из спрессованных синтетических волокон (например, пишущий узел фломастера).
Отличительными признаками изобретения являются использование пористого стержня для подачи травителя в заданную область образца и осуществление травления только во время касания его острием стержня, которым проводят по поверхности, подвергаемой травлению. Материал стержня - ноу хау способа, обеспечивающее наилучший результат при микроскопическом и макроскопическом исследовании.
Данная совокупность признаков обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что использование заостренного пористого стержня позволяет уменьшить область, в которой можно осуществлять травление, не задевая других областей, где этого не требуется. Это является критичным при травлении двуокиси кремния на поверхности кристалла ИС, где нужно дотравливать области размером несколько микрон. Травление только в области касания поверхности ИС пористым стержнем, насыщенным травителем, и путем проведения им по поверхности ИС обеспечивает прекращение травления практически сразу после смещения стержня в другую точку. При постоянной скорости перемещения стержня это обеспечивает постоянную скорость травления, а толщина стравленного слоя определяется временем нахождения стержня в области касания и количеством проходов стержня по одному месту. Постоянное смещение стержня в новую точку во время травления позволяет оперативно оценивать остаточную толщину травимого слоя по изменению его цвета, что значительно упрощает процесс травления.
2
На фиг. 1 представлен результат применения предлагаемого способа, где показана поверхность кристалла ИС: а) после проведения процесса планаризации способом абразивной шлифовки, б) после локального дотравливания областей с более толстым слоем двуокиси кремния. В матрице памяти элементы расположены очень плотно, поэтому она шлифуется значительно медленнее, чем элементы, расположенные рядом с ней. Темные полосы по контуру матрицы (в действительности они цветные), помеченные цифрами 1, 2, 3 на фиг. 1а, характеризуют степень неоднородности толщины диэлектрика над ней. На фиг. 1б после локального травления толщина SiO над матрицей практически такая же, как над элементами вокруг нее.
Пример конкретного выполнения
Для осуществления локального травления тонкий деревянный стержень, которым являлась заостренная спичка, на несколько минут погружался острым концом в травитель - раствор плавиковой кислоты. Кристалл ИС закреплялся на предметном столике микроскопа с большим рабочим отрезком объектива (МБС-10), который не переворачивает изображение. Поскольку пары плавиковой кислоты очень летучи и разъедают стекло, объектив микроскопа закрывался тонким защитным стеклом, а травление проводилось под вытяжкой. Кроме того, из-за высокой летучести паров плавиковой кислоты, в результате которой капельки травителя могли конденсироваться на соседних областях кристалла и вызывать там нежелательное травление, использовался вентилятор, обдувающий область обработки и препятствующий образованию капель. С вынутого из травителя стержня тряпочкой снимался излишек травителя, чтобы на поверхности кристалла ИС в месте касания не образовывалась капля, размер которой трудно контролировать. Под микроскопом медленно проводили острием стержня по поверхности кристалла ИС, «закрашивая» нужную область. В микроскопе эта область хорошо видна, поскольку диэлектрики разной толщины имеют разные цветовые оттенки. Поскольку толщина и площадь удаляемого слоя были достаточно велики, было заранее заготовлено несколько таких стержней. Травитель быстро расходуется и испаряется, а запас его в стержне не велик.
Минимальный размер области, в которой может быть применен этот способ локального травления, зависит от степени заострения пористого стержня и размера пор. Для спички это около 10 мкм. Для пористого стержня фломастера - 100 мкм.
В примерах, приведенных в прототипе, использовались гранулы диаметром 1 мм, а область травления получалась 2 мм. Для осуществления травления в областях размерами несколько десятков микрон придется использовать гранулы с микронными размерами. О сложности работы с такими маленькими гранулами упоминалось выше.
Источники информации
1. Технология СБИС / Под ред. С. Зи. Т. 1. - М.: Мир, 1986. - С. 357-358.
2. Авторское свидетельство СССР №1516508 A1, опубл. 23.05.1989.
3. Патент РФ №2199447, опубл. 27.02.2003.
4. Европейский патент №1879011, опубл. 16.01.2008.
5. Патент РФ №2328548, опубл. 10.07.2008.
6. Патент РФ №2257641, опубл. 10.12.2004.
7. Абрамов А.В., Абрамова Е.А., Суровцев И.С. Травление материалов локализованным газовым разрядом / А.В. Абрамов, Е.А. Абрамова, И.С. Суровцев // Письма в ЖТФ. 2001. - Т. 27. №3. - С. 45-48.
8. Авторское свидетельство СССР №1481267 A1 - прототип, опубл. 23.05.1989.