СПОСОБ ПЛАНАРИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Российский патент 1994 года по МПК H01L21/312 

Изобретение относится к области производства БИС, а более конкретно - к плазменной технологии планаризации диэлектриков на основе кремния (двуокись кремния, ФСС, БСС, БФСС, SiO₂CVD, Si₃N₄) и может быть использовано для планаризации рельефа боковой диэлектрической изоляции (изопланар) и межслойных диэлектриков в многослойной металлизации.

Известен способ планаризации интегральных схем, описанный в патенте США N 4523975 МКИ H 01 L 21/312 (1985 г.). Согласно этому способу планаризацию осуществляют нанесением органического слоя на рельефную поверхность диэлектрика и последующим травлением органического и диэлектрических слоев в индивидуальном диодном реакторе в плазме смеси CF₄ + O₂ (32-50 об.%). Недостатком этого способа является низкая скорость травления фоторезиста и диэлектрика (0,3-0,4 мкм/мин). В плазме смеси CF₄ + O₂ (32-50 об.%) вследствие большого содержания кислорода в ВЧ-разряда и, обусловленной этим, усиленной деструкцией фоторезиста невозможно добиться существенного увеличения скорости травления диэлектрика при одновременном сохранении требуемого значения селективности фоторезист / SiO₂ равном 1-1,5. Этот способ невозможно использовать для планаризации рельефа боковой изоляции в изопланаре при сохранении высоких скоростей планаризации из-за недостаточной селективности к фоторезисту при ВЧ-мощности более 350 Вт. Другим недостатком этого способа является значительная неравномерность травления фоторезиста и диэлектрике обусловленная эффектом нагрузки.

Известен также способ планаризации интегральных схем, описанных в статье S.Fujii, M.Fukumoto, L.Fuse anf T.Ohзone, "Aplanariзation Technology Using a Bias-Deposited Dielectric Film and an Etch-Back ProceSS", IEEE Transactions on Electron Devices, v. 35, N 11, р. 1829 (1988) и принятый авторами за прототип. Планаризацию по этому способу проводят в индивидуальном диодном реакторе в плазме смеси CHF₃-C₂F₆-O₂-He с процентным содержанием кислорода от 12 до 17 об.%. При этом равномерность травления слоев фоторезиста и SiO₂ увеличивается, но в то же время скорость травления этих слоев не превышает 0,35-0,43 мкм/мин. в рекомендованном режиме травления при мощности не более 450 Вт, обеспечивающем селективность фоторезист / SiO₂ равную 1 : 1. Дальнейшее повышение мощности с целью увеличения скоростей травления при данном составе плазмы невозможно, так как из-за высокого содержания кислорода это приводит к недопустимому уменьшению селективности фоторезист / SiO₂.

В связи с вышеизложенным, предлагаемое изобретение решает задачу увеличения равномерности и скорости планаризации, увеличение селективности травления и уменьшения осаждения фторуглеродных полимеров на планаризуемых поверхностях. Это достигается за счет того, что в способе планаризации диэлектриков в индивидуальном диодном реакторе в плазме смеси на основе фторуглерода, кислорода и инертного газа, в качестве фторуглерода используют оксафторпропан или гексафторэтан, в смесь вводят дополнительно гексафторид серы или трифторид азота и проводят процесс травления при давлении от 150 до 600 Па при плотности ВЧ-мощности от 3,5 до 8,0 Вт/см² при следующем соотношении компонентов, об.%: оксафторпропан или гексафторэтан 13-70 гексафторид серы или трифторид азота 7-25 кислород 5-10 инертный газ 18-52
Авторами установлено, что C₃F₈ и C₂F₆ дают наилучший результат по скорости травления среди всех фторуглеродных газов, поскольку газ с меньшим числом атомов углерода - СF₄ дает при разложении в плазме меньшее число радикалов CF₃, а газы с большим числом атомов углерода и водородсодержащие фторуглероды проявляют склонность к полимеризации.

Проведенные исследования показали, что введение в плазму C₃F₈ или C₂F₆ добавок неорганических фторидов (SF₆ или NF₃) позволило увеличить скорость травления диэлектрика и фоторезиста, но при этом не удалось обеспечить высокой равномерности и требуемой селективности травления к фоторезисту - от 1,0 до 1,5, что необходимо для планаризации рельефа в изопланаре.

Попытка решить проблему достижения необходимой равномерности и селективности путем уменьшения добавок SF₆ или NF₃ привела к ухудшению равномерности травления фоторезиста из-за усиления процесса образования полимерных пленок. В связи с этим авторами было исследовано влияние добавок смеси кислорода с инертными газами и установлено, что хотя кислородсодержащие добавки к C₃F₈ или C₂F₆ в количестве до 14 об.% и позволяют существенно снизить полимеробразование в реакторе, но скорость травления при этом не растет, а при дальнейшем увеличении содержания кислородсодержащих добавок уменьшается селективность травления диэлектриков по отношению к фоторезисту.

Авторами также было установлено, что добавки инертных газов (N₂, Ar, He) к C₃F₈ или C₂F₆ в количестве от 18 до 52 об.% обеспечивают высокую равномерность травления ± 1-6 об.% и воспроизводимость. Предложенная авторами многокомпонентная плазма при высоком давлении является новым неизученным объектом и механизм достижения в ней указанного выше положительного эффекта далеко неочевиден. Этот совокупный положительный эффект не достигается ни одним из ранее известных приемов и его получение не может быть прогнозировано на основе знаний, имеющихся в данной области техники.

Совокупное воздействие состава плазмы и режимов травления, являющихся отличительными признаками предлагаемого технического решения, проявили в данном случае синергетический эффект, что позволяет говорить об изобретательском уровне решения задачи. Данное изобретение поясняется фигурами 1, 2, 3.

На фиг. 1 показан диодный реактор индивидуального плазменного травления. На фиг. 2 и 3 показаны поперечные сечения нижних слоев интегральной схемы до и после процесса планаризации.

Ниже приведены примеры выполнения изобретения. На фиг. 2 показано поперечное сечение нижних слоев интегральной схемы 1 (фиг. 2), на которое нанесены металлические проводники 2 (фиг. 2) из алюминиевого сплава толщиной от 0,6 до 1,2 мкм. Сверху проводников наносят в процессах CVD или LPCVD слой SiO₂ 3 (фиг. 2) толщиной от 0,7 до 1,4 мкм, а затем поверх слоя SiO₂ наносят слой фоторезиста ФП 051МК 4 (фиг. 2) толщиной от 0,8 до 1,0 мкм. Фоторезист задубливали при температурах 433 и 473К в течение 20 мин. Планаризацию рельефа SiO₂ осуществляли в установке "Плазма - 150К" с индивидуальным диодным реактором, показанном схематически на фиг. 1, где 1 и 2 - плоскопараллельные электроды, 3 - система подачи газа, 4 - подложка, 5 - механический вакуумный насос, 6 - изолятор.

ВЧ-мощность к реактору подавалась от ВЧ-генератора 7 (фиг. 1), работающего на частоте 13,56 МГц. Обрабатываемые подложки располагали на нижнем электроде. Активный объем плазменного реактора при работе с пластинами диаметра 100 мм составлял около 70 см³.

Примеры реализации изобретения, охватывающие весь заявленный диапазон режимов, приведены в таблице. Истинные (стандартные) расходы газов, указанные в таблице, определяли с помощью регулятора расхода газов, отградуированных по азоту, и поправочных коэффициентов, величины которых для C₃F₈, C₂F₆, SF₆, NF₃, O₂, N₂, Ar и Не составляли 0,20; 0,24; 0,26; 0,40; 1,00; 1,00; 1,45 и 1,45, соответственно. Во всех приведенных режимах реализована высокая скорость травления SiO₂ (0,4-1,0 мкм/мин.), что выше, чем получено в этом же реакторе для смеси CHF₃-C₂F₆-O₂-He, предлагаемой в прототипе данной заявки. При этом равномерность травления составляла ± 1-6%.

На фиг. 3 показано поперечное сечение нижних слоев интегральной схемы после планаризации. Процесс планаризации заканчивают после перетравливания слоя SiO₂ (фиг. 3), на толщину не более 0,2-0,3 мкм. Поверхность, исследуемая после планаризации в сканирующем электронном микроскопе, имела плавные наклоны уступов, так что вышележащие слои металлизации не имели утонений.

При использовании процентного содержания компонентов, давления и мощности за пределами указанных в таблице значений происходило ухудшение выходных параметров процесса планаризации.

При проведении процесса планаризации диэлектриков на основе кремния при давлении менее 150 Па снижается скорость планаризации, а при давлении более 600 Па происходит делокализация плазмы и рассогласование ВЧ-генератора. При проведении травления при ВЧ-мощности менее 600 Вт мала производительность при мощности более 900 Вт возрастает неравномерность травления. При содержании фторуглерода, например, С₃F₈ или С₂F₆ в плазме менее 13 об.% или при содержании О₂ в смеси в плазме более 10 об.% недопустимо уменьшается селективность травления. При планаризации рельефа боковой диэлектрической изоляции при содержании C₃F₈ или C₂F₆ более 70 об.% или при содержании О₂ в смеси менее 5 об.% происходит рост полимерообразования в реакторе. При содержании в плазме добавок неорганического фторида, например, SF₆ или NF₃ менее 7 об.% скорости травления фоторезиста и диэлектрика малы, а при содержании в плазме добавок SF₆ или NF₃ более 25 об.% происходит неприемлемое ухудшение равномерности травления и селективности по отношению к фоторезисту. При содержании инертного газа, выбираемого из группы: азот, аргон, гелий менее 18 об.% мала равномерность травления и воспроизводимость, а при содержании инертного газа в смеси более 52 об.% снижается производительность процесса планаризации.

Предложенный способ планаризации диэлектриков на основе кремния найдет применение в технологии БИС и СБИС при планаризации рельефа боковой изоляции в изопланаре и при планаризации межслойной изоляции в системах многоуровневой металлизации.

По сравнению с базовым объектом процесса планаризации диэлектриков на основе кремния в установках группового реактивного ионного травления 08ПХО-100Т-005 и 08ПХО-100Т-004 процесс планаризации диэлектриков в соответствии с настоящей заявкой в установке индивидуального травления "Плазма-150К" позволило увеличить производительность труда и выход годных на 15-20% .

Использование: микроэлектроника, производство БИС и СБИС. Сущность изобретения: способ планаризации интегральных схем путем плазменного травления в индивидуальном диодном реакторе при давлении от 150 до 600Па и плотности ВЧ мощности от 3,5 до 8,0 Вт/см² в четырехкомпонентной смеси при следующем соотношении компонентов, об. % : октофторпропан или тексафторэтан 13 - 70, гексафторид серы или трифторид 7 - 25, кислород 5 - 10, инертный газ 18 - 52, что позволяет увеличить равномерность и скорость планаризации, увеличить селективность травления и уменьшить осаждение фторуглеродных полимеров на планаризуемых поверхностях. 3 ил.

СПОСОБ ПЛАНАРИЗАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ, включающий нанесение фоторезиста на поверхность схемы, покрытую диэлектриком на основе кремния, задубливание фоторезиста, травление фоторезиста и диэлектрика с одинаковыми скоростями в индивидуальном диодном реакторе в плазме смеси, содержащей фторуглерод, кислород и инертный газ, отличающийся тем, что травление проводят при давлении 150 - 600 Па и плотности ВЧ-мощности 3,5 - 8,0 Вт/см² в плазме смеси, дополнительно содержащей гексафторид серы или трифторид азота, а в качестве фторуглерода - октафторпропан или гексафторэтан при следующем количественном соотношении компонентов, об.%:
Октафторпропан или гексафторэтан 13 - 70
Гексафторид серы или трифторид азота 7 - 25
Кислород 5 - 10
Инертный газ 18 - 52