книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

ров при допустимой плотности дефектов:

А,=1р(Л0) при рН, Гпр=const; 4р —*опт', зависимость между плотностью проколов и време­

нем проявления при оптимальном режиме экспониро­ вания:

На эту картину взаимосвязей накладываются неко­ торые ограничения, определяющие рабочие диапазоны. Толщина слоя, например, ограничивается с минималь­ ной стороны допустимой плотностью дефектов, с мак­ симальной— возможностью получения малых размеров элементов. Определить, какой минимальный размер элемента «мпп воспроизведется на слое фоторезиста данной толщины, довольно трудно, поскольку передача малых изображений зависит от многих факторов; при­ ближенно можно считать, что hc^. (0,2ч-0,3) «мин-

Время проявления при заданных рН и температуре проявителя ограничивается допустимой плотностью воз­ никающих на неэкспонированном участке проколов, ко­ торая в свою очередь связана с критической площадью прибора. Вопросы передачи малых размеров и влияния дефектов рассмотрим подробнее в § 5-5. Определив кон­ кретные граничные условия, можно выбрать рабочие режимы по зависимостям на рис. 5-9.

Рассмотрим подробнее характер этих зависимостей. Процесс экспонирования определяется актиничным по­ глощением света. Используя выражение (5-16), можно показать, что усредненное время экспонирования при постоянной освещенности равно:

213

Мы видим, что увеличение толщины слоя треоует прямо пропорционального увеличения времени экспони­ рования при постоянной освещенности. Если освещен­ ность достаточно велика, зависимость времени экспони­ рования от толщины слоя, как было отмечено в предыду­ щем параграфе, становится менее выраженной.

Из выражения (5-22) можно найти также связь между временами экспонирования и проявления, если

поскольку проявителем растворяются только разрушен­ ные светом области. На рис. 5-10 показаны взятые из работы [Л. 5-11] экспериментальные зависимости между временами экспонирования и проявления, обеспечиваю­ щими точную передачу изображения. Пунктирной кри­ вой на рисунке обозначено решение уравнения (5-24), хорошо совпадающее с экспериментальным.

В течение времени, требуемого для растворения экс­ понированных участков, соседние неэкспонированные подвергаются действию щелочного проявителя с опре­ деленным рН и при определенной температуре. Примем, что процесс воздействия проявителя на резист опреде­ ляется химическими реакциями растворения, но не диффузионными явлениями. Это ограничение не слиш­ ком влияет на общность рассуждений, так как оно не выдерживается только для проявителей, содержащих глицерин, и в случае проявления субмикронных изо­ бражений.

Примем далее, что в слое фоторезиста существуют локальные «потенциальные» дефекты, которые при соот-

214

ветствуюЩих условиях могут превратиться в физиче­ ские, например при проявлении потенциальный дефект превращается в прокол. Потенциальные дефекты раз­ делим на два типа: механические включения (пылинки, грязь и т. д.) и физико-химические несовершенства: включения чистой смолы, остатки сульфохлорида или

ры потенциальных дефектов.

Кроме того, мелкие дефекты могут образовывать слу­ чайным образом цепочки; 'Вероятность этого события можно определить. В результате действия этих двух причин реальные размеры потенциальных дефектов ока­ зываются соизмеримыми с толщиной слоя фоторезиста.

Реальные размеры потенциальных дефектов, очевид­ но, распределены случайным образом с некоторой плот­ ностью распределения ё"(/п .д). Можно принять, что ве­ роятность нахождения потенциального дефекта с разме­ ром /п.д описывается уравнением Пуассона (рис. 5-11):

ехр (—а),

215

где а — параметр распределения; приближенно а равно среднему размеру дефектов. Плотность потенциальных дефектов будет равна:

dl.

Рассмотрим теперь возможность превращения по­ тенциального дефекта в физический. В показанном на

( / г с - Г я ) У 3 = /гсУ1;

Г* = A 0 ' ( 1 - V , / V 1 ) = A C ( I - т).

Таким образом, упрощенно можно считать, что в фи­ зические дефекты превратятся потенциальные дефекты с размерами, большими чем /г 0 (1 — т). На рис. 5-11

216

показано в виде заштрихованной области, какие потен­ циальные дефекты станут физическими. Плотность физических дефектов Лф.д будет зависеть от размеров и плотности потенциальных дефектов, толщины слоя и соотношения скоростей растворения неэкспонированного и экспонированного резиста:

Нас, очевидно, должны интересовать крупные потен­ циальные дефекты, именно они вероятнее «сего пере­ ходят в физические; поэтому можно ограничиться пра­ вой частью распределения и аппроксимировать ее функ­ цией вида А ехр(—Щ. Тогда

Считая, что V3 = const, определим плотность физиче­ ских дефектов аналогично тому, как это было сделано:

Мы видим, что плотность дефектов должна экспо­ ненциально расти с увеличением времени травления. Конечно, выражение (5-27) справедливо в ограничен­ ных пределах. При больших временах выявятся все де­ фекты и зависимость перейдет в насыщение, как пока­ зано на рис. 5-9. Пунктирной линией обозначена область, в которой начинается процесс разрушения слоя в про­ явителе.

Выбор рабочих режимов по зависимостям на рис. 5-9 производится следующим образом. Для определенной

217

толщины слоя резиста находят времена экспонирования и проявления, обеспечивающие точную передачу разме­ ров (методика подбора описана в § 5-4). Контролируя после проявления плотность дефектов, убеждаются, лежит ли она ниже допустимой. Если это условие не выполнено, пользуясь зависимостями на рис. 5-9, нахо­ дят новую, большую толщину слоя и для нее — режимы экспонирования и проявления. Заметим, что при таком подборе режимов в качестве основного критерия созна­ тельно использована плотность дефектов, не превышаю­ щая допустимую.

5-4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ

ФО Т О Л И Т О Г Р А Ф И Ч Е С К О Г О П Р О Ц Е С С А

Внастоящее время, как уже отмечалось, в производ­ стве полупроводниковых приборов наиболее широко используется метод оптической контактной фотолито­ графии. Метод этот постоянно совершенствуется и улуч-

Фоторезист Комплект Фотошаблонов

шается, однако ни суть его, ни последовательность опе­ раций особенно не изменились. На рис. 5-13 показана типичная схема осуществления фотолитографического процесса. Рассмотрим основные операции, причем нач­

чаще причисляют к инструментам для обработки слоя фоторезиста), полупроводниковые подложки и химиче­ ские реактивы.

В отечественной практике повсеместно применяют позитивные фоторезисты на основе нафтохинондиазидов.

218

Эти резисты Ёытеснили Негативные фоторезисты, хотя химическая промышленность выпускает оба типа резистов. Объясняется подобное явление тем, что отечест­ венные негативные резисты уступают позитивным по разрешающей способности. В какой-то мере это связано с принципиальными особенностями негативных фото­ резистов. У резистов на основе высокомолекулярных каучуков длина молекулы может достигать 0,2 мкм, за счет чего ограничивается возможность получения микронных и субмикронных изображений. Далее, про­ цесс проявления негативных резистов основан не на

ков в органических составах. При этом экспонирован­ ные участки также набухают и изменяют свои размеры.

Многое, однако, зависит не от принципиальных огра­ ничений, а от качества выпускаемых резистов. В этом нас убеждает тот факт, что за рубежом в полупровод­ никовом производстве наряду с позитивными широко используются и негативные фоторезисты. Для фотолито­ графии пленарных приборов желательно применять оба типа фоторезистов; выгоды такого совместного исполь­

вают на основе эфиров нафтохинондиазида и какоголибо полимера: бисфенола, новолака или галоидированного новолака. Галоидированными являются, например, продукты № 83 и 7. Введение через молекулу новолака функциональных галоидных групп улучшает кислотостойкость фоторезиста. Если ввести в эфир эпоксидную

8%-ного NaOH), сочетая эту операцию с травлением алюминиевой подложки [Л. 5-12]. Были попытки [Л. 5-13] повысить щелочестойкость резиста, применяя в эфире вместо новолака смолы с большими углеводородными радикалами; например, замена новолака на дифенилоксиднофенольную смолу позволяет проявлять в 7%-ном

ность ниже, чем у резистов на основе эфиров с ново­ лаком.

219

В качестве полимерной составляющей к светочувст­

в фоторезисте ФП-РН-7. Готовые фоторезисты носят марки ФП-383, ФП-330, ФП-307, ФП-327 по номерам светочувствительных продуктов. В работе (Л. 5-7] отме­ чается, что резольная смола взаимодействует с раство­ рами щелочей значительно медленнее, чем новолачиая, причем абсолютные скорости растворения зависят от партии смолы и от режима первой сушки слоя (для новолачной смолы последнее не наблюдалось). Оче­

дельная концентрация большинства светочувствитель­ ных продуктов достигается в дноксане и диметплформамиде (Л. 5-7, 5-14]; хорошими растворителями являются также метилэтилкетон и этилцеллозольв. Новолач­ иая смола растворяется легко в широком наборе растворителей, причем наибольшая концентрация дости­ гается в метилэтилкетоне и ацетоне. Правильный выбор растворителя должен обеспечить хорошее смачивание резистами подложек всех типов, используемых в пла­ нарной технологии: термическом и пиролитическом окис­ лах, примесно-силикатных стеклах, алюминии, хроме. Смачивание зависит в первом приближении от свойств поверхности подложек и поверхностного натяжения ре­

большие углы смачивания подложек растворами смолы в метилэтилкетоне и диметилформамиде: для всех под­ ложек они составляют от 3 до 15°. Исключение состав­ ляет хорошее смачивание поверхности хрома раствором смолы в метилэтилкетоне.

Для растворов НХД характерны меньшие, чем для смолы, величины поверхностного натяжения, например для продукта № 7 40 эрг/см2 [Л. 5-15]. Наилучшее смачивание подложек достигается при растворении про­ дуктов в метилэтилкетоне. Для таких растворов вели­ чины углов смачивания менее 1°, т. е. такие же, как и для чистого растворителя. Этот факт указывает на сильное взаимодействие молекул НХД с поверхностны­ ми атомами подложек. Смачивание подложек готовым

220

именно молекул определенного типа НХД. Так, в ра­ боте (Л. 5-7] рекомендуется для фотолитографии на алюминии использовать фоторезист на основе продукта № 27, растворенного в метилэтилкетоне. Углы смачива­

в пределах от 2,5 до 27°. Для фотолитографии на при-

Одним из лучших растворителей, очевидно, является метилэтилкетон.

В готовых позитивных фоторезистах могут присутст­ вовать примеси, отрицательно влияющее на качество процесса фотолитографии. Так, недостаточная очистка светочувствительного компонента от исходных или про­ межуточных продуктов синтеза, таких, как 1,2-нафто- хинондназидсульфохлорид или соответствующая сульфокислота, приводит, как показано в работе [Л. 5-6] на примере резиста ФП-383, к возникновению дефектов в слое фоторезиста. Содержание сульфохлорида в фото­ резисте искусственно менялось в пределах от 0,008 до 0,15 вес. %, и соответственно плотность проколов уве­

сульфохлорид и получить слои без проколов. При хра­ нении фоторезиста с примесью сульфохлорида плот­ ность проколов заметно возрастает, очевидно, из-за того, что сульфохлорид гидролизуется до сульфокислоты, которая в большей степени склонна к кристаллизации в слое резиста. Центрифугирование такого резиста сни­ жает плотность проколов примерно вдвое, но полностью избавиться от них не позволяет.

Негативные отечественные фоторезисты представле­ ны составами ФН-ЗТ, ФН-5Т на основе поливинилциныамата и ФН-11, ФН-11К на основе каучука, очувствленного бисазидом. Светочувствительность негативных резистов немногим отличается от светочувствительных позитивных. Критерием светочувствительности у нега­ тивных резистов служит полнота сшивания слоя под действием излучения. Операции экспонирования и про­ явления при работе с негативными резистами менее

221