6.7. Техника масок

В технологии полупроводниковых приборов важное место занимают маски: они обеспечивают локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии. Всякая маска содержит совокупность заранее спроектированных отверстий – окон. Изготовление таких окон есть задача литографии (гравировки). Ведущее место в технологии изготовлен ля масок сохраняет фотолитография, которой мы уделим главное внимание.

6.7.1. Фотолитография

В основе фотолитографии лежит использование материалов, которые называют фоторезистами. Это разновидность фотоэмульсий, известных в обычной фотографии. Фоторезисты чувствительны к ультрафиолетовому свету, поэтому их можно обрабатывать в не очень затемненном помещении.

Фоторезисты бывают негативные и позитивные. Негативные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устойчивыми к травителям (кислотным или щелочным). Значит, после локальной засветки будут вытравливаться незасвеченные участки (как в обычном фотонегативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засвеченные участки.

Рисунок будущей маски изготавливается в виде так называемого фотошаблона (рис. 6.11). Фотошаблон представляет собой толстую стеклянную пластину, на одной из сторон которой нанесена тонкая непрозрачная пленка с необходимым рисунком в виде прозрачных отверстий. Размеры этих отверстий (элементов рисунка) в масштабе 1:1 соответствуют размерам будущих элементов ИС, т. е. могут составлять 20–50 мкм и менее (до 2–3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым методом (см. 1.2), на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будущего кристалла ИС.

Рис. 6.11. Фрагмент фотошаблона (в плане и разрезе)

Рис. 6.12. Этапы процесса фотолитографии:

а – экспозиция фоторезиста через фотошаблон;

б – локальное травлениедвуокиси кремния через фоторезистную маску;

в – окисная маска после удаления фоторезиста

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной маске покрывающей поверхность кремниевой пластины, состоят в следующем (рис. 6.12).

На окисленную поверхность пластины наносится капля фоторезиста (ФР). С помощью центрифуги каплю распределяют тонким слоем (около 1 мкм) по всей поверхности. Полученную пленку фоторезиста высушивают до затвердевания. На пластину, покрытую фоторезистом, накладывают фотошаблон ФШ (рисунком к фоторезисту) и экспонируют его в лучах кварцевой лампы (рис. 6.12, а). После этого фотошаблон снимают.

Если используется позитивный фоторезист (см. выше), то после проявления и закрепления (которое состоит в задубливании и термообработке фоторезиста) в нем получаются окна на тех местах, которые соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне. Как говорят, мы перенесли рисунок с фотошаблона на фоторезист. Теперь слой фоторезиста представляет собой маску, плотно прилегающую к окисному слою (рис. 6.12, б).

Рис. 6.13. Совмещение фотошаблона с рисунком на поверхности ИС

Через фоторезистивную маску производится травление окисного слоя вплоть до кремния (на кремний данный травитель не действует). В результате рисунок с фоторезиста переносится на окисел. После удаления (стравливания) фоторезистной маски конечным итогом фотолитографии оказывается кремниевая пластина покрытая окисной маской (рис. 6.12, в и 6.4, б). Через нее можно осуществлять диффузию, ионную имплантацию, травление и т. п.

В технологических циклах изготовления диодов, транзисторов и тем более ИС процесс фотолитографии используется многократно (отдельно для получения базовых слоев, эмиттеров, омических контактов и т. д.). При этом возникает так называемая проблема совмещения фотошаблонов. Суть этой проблемы иллюстрируется на рис. 6.13.

Пусть с помощью предыдущей фотолитографии и диффузии в пластине выполнен –слой шириной 30 мкм, а с помощью следующей фотолитографии и диффузии нужно внутри –слоя получить –слой шириною 10 мкм (показан штрихами), смещенный на 7 мкм относительно центра –слоя. Для этого рисунок 2–го фотошаблона необходимо совместить с уже существующим рельефом (т. е. с границами –слоя) с точностью 1–2 мкм.

При многократном использовании фотолитографии (в технологии ИС до 5–7 раз) допуск на совмещение доходит до долей микрона. Техника совмещения состоит в том, что на фотошаблонах делают специальные «отметки» (например, крестики или квадраты), которые переходят в рисунок на окисле и просвечивают сквозь тонкую пленку фоторезиста. Накладывая очередной фотошаблон, аккуратнейшим образом (под микроскопом) совмещают отметки на окисле с аналогичными отметками на фотошаблоне.

Если используется негативный фоторезист, то и фотошаблон должен быть негативным, т. е. будущим отверстиям в окисной маске должны соответствовать непрозрачные участки.

Рассмотренный процесс фотолитографии характерен для получения окисных масок на кремниевых пластинах с целью последующей локальной диффузии. В этом случае фоторезистная маска (рис. 6.12, б) является промежуточной, вспомогательной, так как она не выдерживает высокой температуры, при которой проводится диффузия. Однако в некоторых случаях, когда процесс идет при низкой температуре, фоторезистные маски могут быть основными – рабочими. Примером может служить процесс создания металлической разводки в полупроводниковых ИС (см. 6.9).

Рис. 6.14. Схема координатографа