Способ селективного травления кремний-металлосодержащего слоя в многослойных структурах Советский патент 1993 года по МПК H01L21/302 

Изобретение относится к полупроводниковому производству и предназначено для селективного прецизионного травления кремний-металлсодержащих слоев с кобальтом или титаном в многослойных структурах, содержащих полупроводниковую подложку, диэлектрический слой, кремний- металлсодержащий слой и органическую полимерную маску, используемых при изготовлении активных и пассивных элементов полупроводниковых интегральных схем (ИС) в качестве низкоомной контактной металлизации, материала многоуровневой электропроводящей разводки межсоединений элементов, резистивных материалов на основе силицида металла, резистивных слоев (PC) на основе сплавов кремния с металлом, в частности на основе кремний-кобальтсодержащих сплавов типа PC 300K. кремний-кобальт-титансодержащих сплавов типа PC 2310K и т.п., применяемых в качестве материалов для прецизионных тонкопленочных резисторов (ТПР), реэи- стивных матриц преобразователей информации цифроаналоговых (ЦАП), аналого- цифровых (АЦП), больших и сверхбольших интегральных схем (БИС. СБИС).

Цель изобретения - повышение селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элементов формируемого рисунка.

На первой стадии - сухое травление - происходит полное удаление кремния из слоя (модификация кремний-металлсодер00

Ю 00

ел

Os

1лЗ

жащего слоя) в вытравливаемых областях, незащищенных органической полимерной маской, с образованием в этих областях металлсодержащего остатка в виде осадка на основе кобальта или титана, предотвраща- ющего травление нижележащего слоя диэлектрика и боковое подтравливание кремнийсодержащего слоя под органическую полимерную маску.

На второй стадии - жидкостное травле- ние - происходит полное удаление металлсодержащего остатка, причем селективно относительно необработанного в плазме кремний-металлсодержащего слоя, а также слоев кремния и диэлектрических слоев, а именно двуокиси кремния (ЗЮ2), нитрида кремния (SiaN-i), фосфорно-силикатного стекла (ФСС) и т.п.

О полном вытравливании кремния из металл-кремниевого слоя на всю глубину.су- дят по исчезновению металлического блеска пластины в вытравливаемых (не защищенных маской) областях и образованию на них полупрозрачного красновато-бурого осадка.

Физико-химический механизм предложенного способа травления заключается в том, что в течение плазменной обработки происходит полное удаление кремния из кремний-металлсодержащего слоя (крем- ний-кобальт- и кремний-титан-содержащего материала) в областях, не защищенных мас- кой,благодаря образованию на поверхности слоя и в его глубине летучих фторидов или хлоридов кремния, для чего условия плаз- менной обработки выбираются таким образом, чтобы обеспечить эффективную диффузию атомов галогена вглубь обрабатываемого материала и выход летучих галогенидов кремния из кремний-металлсо- держащего материала.

После проведения плазменной обработки в областях, не защищенных маской остается рыхлая пленка рыжевато-красного оттенка, толщина которой составляет 10-30 нм. Эта пленка препятствует травлению лежащих под протравливаемым слоем диэлектриков или Si02. Очевидно, данная пленка (остаток) состоит из нелетучих гало- генсодержащих соединений металла (кобаль- та-титана), а также углерода, бора, серы, и т.д. (конкретный вид нелетучих соединений в пленке определяется видом применяемого галогенсодержащего плазмообразующего реагента). Далее эту пленку, основу которой составляют металлсодержащие соединения, травят в жидкостном травителе (не травящем кремний) и травящим металл (кобальт, титан) более чем в 5 раз быстрее, чем двуокись кремния.

Таким образом, первая стадия процесса сухого травления обеспечивает прецизионное травление, т.е. минимальное отклонение геометрических размеров формируемых элементов от размеров органической маски, а вторая стадия процесса жидкостного травления обеспечивает селективность травления остатка кремний-металлсодержащего слоя относительно других материалов многослойной структуры.

Минимальная величина разности потенциалов между обрабатываемой подложкой и заземленными поверхностями реактора во время плазменной обработки, при которой достигается поставленная цель, составляет 0В, что соответствует размещению подложки на заземленном электроде реактора плазменной обработки в стандартных процессах плазмохимического травления, при котором легко протекает удаление кремния из кремний-металлсодержащего слоя и образование пэссивирую- щей пленки.

Максимальное по абсолютной величине значение разности потенциалов между обрабатываемой подложкой и заземленными поверхностями реактора, при котором достигается поставленная цель, составляет - 300В, что соответствует размещению подложки на ВЧ-электроде в стандартных процессах реактивного ионоплаэменного травления. Если величина разности потенциалов подложки и заземленных поверхностей реактора превышает 300В, то пассивирующий металлсодержащий остаток не образуется на обрабатываемой поверхности, при этом происходит выравнивание скоростей травления металла и кремния, что не позволяет обеспечить селективного травления кремний-металлсодержащего материала относительно диэлектриков.

Оптимальная величина значений разности потенциалов обрабатываемой подложки и заземленных поверхностей реактора составляет - (180-280)8, т.к. в этом случае для образования пасси виру ющего остатка в виде пленки требуется наименьшая продолжительность плазменной обработки,

Удельная мощность разряда и температура обрабатываемой подложки совокупно характеризуют интенсивность образования и диффузии активных частиц вглубь обрабатываемого материала, а значит, интенсивность удаления кремния из кремний- металлсодержащего слоя.

Минимальная удельная мощность разряда и температура обрабатываемой поверхности, при которых реализуется заявляемый способ, составляют соответственно 0,3 Вт/см2 и 30°С. Если значения этих параметров ниже указанных величин, то процесс удаления кремния из кремний-металлсодержащего материала протекает очень медленно, а значит,очень низка производительность способа, что не позволяет его использовать в производстве.

Максимальная удельная мощность разряда и температура обрабатываемой поверхности, при которых реализуется заявляемый способ, составляют 1.0 Вт/см и 150°С соответственно. При более высокой удельной мощности разряда и температуре обрабатываемой поверхности образующийся в результате плазменной обработки металлсодержащий остаток в виде пленки не может предотвратить локального подтрав- ливания диэлектриков, лежащих под ним во время плазменной обработки, а значит, поставленная цель не достигается.

Оптимальное значение удельной мощности разряда и температуры обрабатываемой поверхности составляют соответственно 0.5 - 0.8 Вт/см2 и (80 - 130)°С. В этом случае образование пассивирующей пленки протекает за минимальное время и пленка надежно предотвращает травление SlOa и SiaNo, лежащих под ней.

Стабильное образование нелетучего осадка, пассивирующего поверхность ИС, лежащую под PC-слоем, возможно только в условиях, когда отсутствуют условия эффективного распыления соединений CoFx, CoCFk, TiFt, TICFm. Установлено, что для обеспечения этого условия температура обрабатываемой поверхности не должна превышать 200°С, а энергия бомбардирующих ее ионов - 0,4 кВ, при этом для того, чтобы не применять в технологическом цикле дополнительные обработки маски, повышающие ее плазмостойкость, необходимо температуру обрабатываемой поверхности не повышать более 150°С.

Стравливание металлсодержащего, в частности кобальт(титан)содержащего . слоя, образованного после первой стадии травления - плазменной обработки при комнатных температурах, целесообразно проводить в слабых водных растворах на основе плавиковой кислоты или смеси плавиковой кислоты и фтористого аммония. Установлено, что, если суммарное содержание фторсодержащего компонента менее 1%, то обработанный плазмой слой практически перестает травиться. Если же суммарное содержание фторсодержащих компонентов, являющихся источником ионов фтора, превышает 6%, то резко возрастает скорость травления окислов кремния, что не позволяет осуществлять

селективное травление металл-кремнийсо- держащего слоя. Оптимальная суммарная концентрация фторсодержащего компонента в жидкостном травителе составляет

5 2,5 - 4,7%, при этом травление модифицированного слоя протекает быстро, воспроизводимо и с высокой селективностью относительно окислов кремния.

Способ травления реализуют следую0 щим образом:

- формируют многослойную структуру известными стандартными методами пленарной технологии, в которой на полупроводниковой подложке, например пластине

5 кремния, создают диэлектрические изолирующие слои, например термически выращенную двуокись кремния (SIO2. нитрида кремния (81з№), фосфорно-силикатного стекла (ФСС) или их комбинации, на кото0 рых формируют кремний-металлсодержащий слой на основе кобальта (Со) и (или) титана (Ti) путем, например, совместимого - катодного распыления мишени из металла и мишени из кремния с последующим отжи5 гом наносимого слоя, либо в виде металл- кремниевого (кобальт-кремниевого или титан-кремниевого) сплава в виде резистив- ных слоев типа PC 3000K (Co-30%, SI-70%). PC 2310K (Co-10%, TI-23%. SI-67%) и дру0 тих, например путем одновременно ионно- плазменного распыления их из мишени, с содержанием металла в слое не более 40%, после чего на поверхности кремний-металлсодержащего слоя наносят органическую

5 маску, например из фоторезиста с последующим образованием в ней рисунка задан- . ной конфигурации;

- формируют рисунок металлизации в кремний-металлсодержащем слое путем об0 работки поверхности слоя травлением в две стадии:

а) проводят первую стадию сухого травления поверхности кремний-металлсодержащего слоя в структуре,для чего:

5 - подложку со сформированными слоями на основе кремний-металлсодержащего слоя загружают в реакционно-разрядную камеру (реактор) ионно-плазменного травления, например в серийную установку РИТ

0 и ПХТ типов 08ПХ0100Т-005 и 08ПХО100Т- 004, и размещают на электроде-подложко- держателе.

- проводят откачку реактора до остаточного давления порядка Па, 5 - проводят напуск в реакторе галоген- содержащего газа, например тетрафтор- метана (CF4). тетрахлорметана (CCU), гексафторид icepufSFe), трифтортрихлорэ- тан (CaFaCb) или их смеси с добавлением кислорода (02), и обеспечивают давление

активного плазмообразующего галоген- содержащего реагента в пределах от 1 до 80 Па,

- зажигают плазму высокочастотного (В Ч) разряда (тлеющий разряд) и поддержи- вают уровень удельной мощности ВЧ разряда в пределах от 0,3 до 1,0 Вт/см , а абсолютную разность потенциалов между электродом-подложкодержателем и заземленными поверхностями реактора поддер- живают не более 0,3 кВ и воздействуют на галогенсодержащий реагент ВЧ-разрядом, при этом потенциал на В Ч-электроде равный 0, означает размещение подложки на заземленном электроде.

- устанавливают заданную температуру на электрод е-подложкодержателе и регулируют ее с помощью температуры воды, подаваемой в рубашку охлаждения подлож- кодержателя. и нагрева плазмой, при этом температуру подложки поддерживают в

пределах от 30 до 150°С:

- производят травление кремний-Металлсодержащего слоя в Течение времени, необходимого для образования летучего со единения кремния с химически активными радикалами, образующимися при диссоциации под действием ВЧ-напряжения газообразного плазмообразующего реагента, взаимодействующими с материалом повер- хности обрабатываемого слоя, и обеспечивающего полное удаление кремния, которое фиксируют по исчезновению металлического блеска с поверхности вытравливаемого рисунка и появления полупрозрачного крас- новэто-бурого цвета остатка - металлсодержащего осадка, - которые определяют визуально;

б) проводят вторую стадию жидкостного травления модифицированного плазмой металлсодержащего остатка в водном растворе слабой кислотной среды с ионами фтора при суммарном содержании фторсо- держащего компонента от 1 до 6 объемных процентов, а частности в качестве жидкост- кого травителя используют смесь плавиковой кислоты (HF), фтористого аммония (NH4F), перекиси водорода (НаОа) и воды (Н20) при объемном соотношении компонентов

HF : NH4F : И202 : Н20 17 : 90 : 640 : 1300.

Продолжительность обработки проводят в течение времени, необходимого для полного удаления металлического остатка, при этом происходит полное стравливание металлсодержащего остатка селективно относительно необработанного (защищенного маской) кремний-металлсодержащего

слоя, а также диэлектрических слоев SlOz, 81з№. ФСС и полупроводниковой подложки из кремния, т.е. обеспечивается селективность травления кремнийсодержащего слоя относительно других материалов многослойной структуры.

Результаты экспериментальных исследований показали, что оптимальными условиями проведения первой стадии сухого травления металл-кремнийсодержащих слоев согласно заявляемому способу являются:

- серийное оборудование - установка плазмохимического травления 08ПХ0100Т- 004,

- плазмообразующий газообразный галогенсодержащий реагент - чистый тетраф- торметан (Фреон) CF4,

- параметры процесса:

а) плотность мощности ВЧ-разряда от 0.3 до 1.0 Вт/см2.

б) температура обрабатываемой поверхности слоя от 30 до 150°С

г) абсолютная разность потенциалов между электродом-подложкодержателем и заземленными поверхностями реактора не более 0,3 кВ.

д) время (продолжительность) обработки от 1 до 4 мин.

Для второй стадии прецизионного селективного травления (жидкостного травления кремний-металлсодержащих слоев следует использовать слабые травители на основе фтористой кислоты и фтористого аммония) определено, что оптимальный трави- тел ъ имеет следующий состав: HF : NHF4: НгОг : НаО при следующем соотношении ингредиентов: 17 : 90: 640 : 1300.

Преимущество данного травителя перед другими испытанными травителями состоит не только в наиболее высокой селективности, но и в облегченном контроле за протеканием процесса травления модифицированного плазмой кремний-металлсодержащего слоя, который сопровождается интенсивным образованием пузырьков, а их исчезновение свидетельствует об окончании вытравливания слоя металла с обрабатываемой поверхности. Следует отметить, что дополнительная выдержка пластин в травителе даже в течение 1-2 мин, не приводит к каким-либо изменениям сформированных структур.

Согласно заявляемому способу была произведена реализация процессов селективного прецизионного травления рези- стивных кремний-кобальтсодержащих и кремний-титансодержащих слоев типов РС- ЗОООКиРС-2310К.

На поверхности тестовой подложки со структурой МОП СБИС наносился слой PC- ЗОООК, который отжигом в вакууме при температуре 700°С превращался в слой CoSl2 толщиной 100,0 нм.

Стандартными методами фотолитографии формировалась маска из фоторезиста ФП-051Т с рисунком токоведущей разводки СБИС. Подложка помещалась в реактор модернизированной установки 08ПХ0100Т- 005 на ВЧ-электрод. Проводилась откачка реактора до остаточного давления 0,1 Па. Вводилась парогазовая смесь SFe + С2РзС з с параметрами (расход SFe 5 л/ч, расход СгРзС з - 6 л/час, общее давление смеси в реакторе 5 Па). Проводилась обработка подложки в плазме, при которой удельная мощность разряда составляла -1,0 Вт/см , температура обрабатываемой поверхности - 150°С, разность потенциалов между подложкой и заземленными поверхностями реактора составляла (-ЗООВ). Длительность плазменной обработки составляла 10 мин, за это время на подложке образовывалась красновато-бурая пассивирующая пленка. После плазменной обработки проводилась жидкостная обработка подложки в травителе HF : МНдР : Н202 : НаО 17 : 90 : 640 : 1300 при комнатной температуре 22±2°С в течение 2 мин. Удаление маски проводилось в кислородной плазме. Под- трав SI02 не превышал 2 нм, отклонения размеров элементов от размеров маски не превышали 0,2 мкм.

Способ селективного прецизионного травления кремний-кобальт и кремний-ти- тансодержащих резистивных.слоев, включающий двухстадийное травление (сухое травление и жидкостное травление) имеет более высокую производительность процесса травления по сравнению с известными способами-аналогами и существенно более высокую селективность (избирательность) травления относительно диэлектрических слоев и кремния в 10-100 раз и выше аналогов.

Разработанная технология процессов селективного прецизионного травления резистивных слоев реализуется на дешевом и простом серийном оборудовании и не требует применения дорогостоящих систем контроля окончания процесса травления.

Использование заявляемого способа в производстве ИС с элементами на основе кремний-кобальт и кремний-титансодержа- щих материалов снижает издержки производства за счет использования дешевого высокопроизводительного оборудования

плэзмохимического или реактивного ионно плазменного травления и обеспечивает селективное прецизионное травление кремний-металлсодержащих материалов

5 относительно диэлектриков, что позволяет резко повысить надежность изготовления резисторов ЦАП и АЦП-. а также низкоомной разводки металлизации полупроводниковых БИС и СБИС.

0

Формула изобретения

1. Способ селективного травления кремний-металлсодержащего слоя в многослойных структурах, состоящих из полу5 проводниковой подложки, диэлектрического слоя и кремний-металлсодержащего слоя с кобальтом или титаном при содержании металла в слое не более 40%, включающий формирование на поверхности структуры

0 органической полимерной маски и обработку в плазме высокочастотного тлеющего разряда галогенсодержащего реагента, отличающийся тем, что, с целью повышения селективности травления крем5 ний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элемен тов формируемого рисунка, обработку поверхности слоя проводят в две стадии, на

0 первой стадии сухого травления обработку проводят при плотности мощности разряда 0,3-1,0 Вт/см , абсолютной величине разности потенциалов между электродом- подложкодержателем и заземленными по5 верхностями реактора не более 0,3 кВ, температуре обрабатываемой подложки 30-150°С до полного удаления кремния из протравливаемого слоя, а вторую стадию проводят методом жидкостного травления

0 в слабой кислотной среде с ионами фтора при суммарном содержании фторсодержа- щего компонента от 1 до б обьемных процентов.

2. Способ по п.1,отличающийся 5 тем. что время окончания первой стадии сухого травления фиксируют по исчезновению металлического блеска на поверхности вытравливаемого рисунка, которое определяют визуально. 0

3. Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве жидкостного травителя на второй стадии травления используют смесь плавиковой кислоты (HF), фтористого 5 аммония (NHsF), перекиси водорода (N202) и воды (Н20) при объемном соотношении ингредиентов

HF:NH4F:H202:H20 17:90:640: 1300.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в полупроводниковом производстве для селективного, прецизионного травления кремний-металлсодержащих слоев. Целью изобретения является повышение селективности травления кремний-металлсодержащего слоя относительно диэлектрика при сохранении высокой точности воспроизведения размеров элементов формируемого рисунка. Для этого обработку проводят в два этапа. На первом этапе методами сухого травления полностью удаляют кремний из обрабатываемого слоя, на втором - с помощью жидкостного травления в слабой кислотной среде стравливают металлсодержащий остаток. 2 з.п. ф-лы, 3 табл. Ё