14 Лекция №13. Фотолитография. Изготовление фотошаблонов, методы уменьшения технологической нормы. Совмещение шаблонов с подложкой

Продолжительность: 2 часа (90 мин.)

14.1 Основные вопросы

- задачи фотолитографии;

- основные этапы процесса фотолитографии;

- изготовление фотошаблонов;

- методы уменьшения технологической нормы.

14.2 Текст лекции

14.2.1 Фотолитография – до 60 мин

Фотолитография — процесс избирательного травления поверхностного слоя оксида кремния с использованием защитной фотомаски с целью получения на поверхности подложки так называемой оксидной маски, которая используется для создания окон под избирательное легирование, а также контактных окон перед нанесением слоя металлизации.

Фотолитография выполняется после окисления поверхности подложки и получения на ее поверхности защитной пленки оксида кремния. Процесс фотолитографии включает несколько этапов:

- подготовка поверхности,

- нанесение фоторезиста,

- совмещение подложки и фотошаблона,

- экспонирование фоторезиста через фотошаблон,

- проявление фоторезиста,

- травление оксидного слоя в окнах фотомаски,

- удаление фотомаски.

Отдельным предварительным этапом является изготовление фотошаблонов. Так как при производстве МС процесс фотолитографии используется многократно, то необходим целый комплект фотошаблонов.

Фотошаблоны широко применяются в технологии ИМС как на стадии формирования активных элементов в полупроводниковом материале, так и при создании пассивных элементов и межсоединений.

Фотошаблон — стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем — покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны λ> 300 нм)э либо из кварцевого стекла (приλ< 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.

Подготовка поверхности к нанесению фотослоя заключается в ее обработке парами органического растворителя для растворения жировых пленок, которые препятствуют последующему сцеплению фоторезиста с поверхностью. Отмывка сверхчистой (деионизованой) водой удаляет следы растворителя, а также микрочастицы, способные впоследствии образовать «проколы» в тонком слое фоторезиста.

При нанесении фотослоя используется раствор светочувствительного полимера в органическом растворителе (фоторезист). Фоторезисты - это сложные полимерные светочувствительные композиции, изменяющие свои свойства, прежде всего растворимость, под действием излучения и устойчивые к кислотным и щелочным травителям. Основное назначение фоторезиста является создание на поверхности тонкого защитного слоя в виде рельефа рисунка. Фоторезисты у которых растворимость экспонированного участка уменьшается называются негативными, а фоторезисты, растворимость которых после облучения возрастает, - позитивными.

Основные параметры фоторезистов:

Светочувствительность - величина обратная экспозиции, требуемой для перевода фоторезиста в растворимое или нерастворимое (в зависимости от того, какой используется фоторезист - позитивный или негативный) состояние.

Разрешающая способность - максимальное число линий одинаковой ширины, разделенных промежутками той же ширины, которое можно получить, используя данный фоторезист, на 1 мм. Разрешающая способность фоторезиста определяет возможность создания при его использовании микрорельефа рисунка с минимальными размерами элементов. Разрешающая способность зависит от оптических явлений, происходящих в процессе экспонирования в системе фотошаблон - фоторезист - пластина, а также от процессов проявления и сушки.

Кислотостойкость фоторезистов определяет возможность их обработки в сильных кислотных и щелочных смесях, т.е. способность после экспонирования, проявления и сушки (задубливания) селективно защищать поверхность заготовки от воздействия кислотных и щелочных травителей. Кислотостойкость измеряется в секундах.

Для получения тонких слоев фоторезиста на поверхности пластины его вязкость должна быть очень мала, что достигается высоким содержанием растворителя (80...95 % по массе). В свою очередь, с уменьшением толщины фотослоя повышается разрешающая способность фотолитографического процесса. Однако при толщинах менее 0,5 мкм плотность дефектов («проколов») в фотослое резко возрастает, и защитные свойства фотомаски снижаются.

Нанесение фотослоя выполняют двумя способами: центрифугированием или распылением аэрозоля. В случае использования центрифуги дозированное количество фоторезиста подается в центр пластины, прижатой вакуумом к вращающейся платформе (центрифуге). Жидкий фоторезист растекается от центра к периферии, а центробежные силы равномерно распределяют его по поверхности пластины, сбрасывая излишки в специальный кожух. Толщина нанесенной пленки зависит от скорости вращения платформы и вязкости фоторезиста. Скорость вращения центрифуги около 6000 об/мин, толщину фотослоя регулируют подбором соответствующей вязкости, т. е. содержанием растворителя.

Для центрифугирования характерны следующие недостатки:

1) трудность получения относительно толстых (в несколько микрометров) и равномерных пленок из-за плохой растекаемости вязкого фоторезиста;

2) напряженное состояние нанесенной пленки, что приводит на этапе проявления к релаксации участков фотомаски и изменению их размеров;

3) наличие краевого утолщения как следствие повышения вязкости в процессе выравнивания, что ухудшает контакт фотошаблона с фотослоем;

4) трудность организации одновременной обработки нескольких пластин.

При распылении аэрозоли фоторезист подается из форсунки на пластины, лежащие на столе, совершающем возвратно-поступательное движение. Необходимая толщина формируется постепенно. Отдельные мельчайшие частицы растекаются и, сливаясь, образуют сплошной слой. При следующем проходе частицы приходят на частично просохший слой, несколько растворяя его. Поэтому время обработки, которое зависит от вязкости, расхода и «факела» фоторезиста, от скорости движения стола и расстояния от форсунки до подложки, устанавливается экспериментально. При реверсировании стола крайние пластины получат большую дозу фоторезиста, чем центральные. Во избежание утолщения слоя на крайних пластинах форсунке также сообщается возвратно-поступательное вертикальное движение (синхронно с движением стола). При торможении стола в конце хода форсунка поднимается вверх, и плотность потока частиц в плоскости пластин снижается.

Распыление аэрозоли лишено недостатков центрифугирования, допускает групповую обработку пластин, но предъявляет более жесткие требования к чистоте (отсутствие пыли) окружающей атмосферы. Нанесение фоторезиста и последующая сушка фотослоя являются очень ответственными операциями, в значительной степени определяющими процент выхода годных микросхем.

Частицы пыли из окружающего воздуха могут проникать в наносимый слой и создавать микродефекты, поэтому нанесение фотослоя должно выполняться в условиях высокой обеспыленности в рабочих объемах (боксах, скафандрах) 1 класса с соблюдением следующей нормы: в 1 л воздуха должно содержаться не более четырех частиц размером не более 0,5 мкм.

При сушке нанесенного слоя в нем могут сохраниться пузырьки растворителя, а при выходе на поверхность слоя они могут образовать микро-трещины. Поэтому сушка выполняется источниками инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а, следовательно, поглощение излучения с выделением тепла происходит на границе пластина — фоторезист. Следовательно, сушка протекает от нижних слоев фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности температура сушки должна быть умеренной (примерно 100... 120 °С).

Перечисленные виды дефектов фотослоя (пылевидные частицы, микропузырьки и микротрещины) сохраняются в фотомаске и наследуются оксидной маской, создавая в ней микроотверстия. При использовании оксидной маски для избирательного легирования примесь будет проникать через них, образуя легированные микрообласти и. как следствие, токи утечки и пробои в p-n-переходах. Если оксидная маска представляет собой слой контактных окон, то металл, проникая в микроотверстия, может привести к паразитным связям между областями и коротким замыканиям.

Совмещение и экспонирование. Под совмещением перед экспонированием понимается точная ориентация фотошаблона относительно пластины, при которой элементы очередного топологического слоя (на фотошаблоне) занимают положение относительно элементов предыдущего слоя (в пластине), предписанное разработчиком топологии Обычно фотошаблон очередного слоя совмещается с предыдущим (по ходу ТП) слоем, уже сформированным на пластине.

Процесс совмещения включает три этапа:

1) предварительная ориентация по базовому срезу, обеспечивающая на границах модулей групповой пластины наивыгоднейшую кристаллографическую плоскость с точки зрения качества разделения пластины на отдельные кристаллы;

2) предварительное грубое совмещение по границам крайних модулей, имеющее целью исключить разворот пластины и фотошаблона относительно вертикальной оси;

3) точное совмещение, исключающее смещение рисунков фотошаблона и пластины в горизонтальной плоскости.

Для точного совмещения используют специальные знаки совмещения с контролируемым зазором, которые входят в состав топологических рисунков соответствующих слоев. Совмещение считается выполненным, если при введении одного знака внутрь другого по всему контуру просматривается зазор.

После совмещения выполняется засветка фоторезиста через фотошаблон.

Фотолитография может быть контактной (шаблон при переносе изображения приводится в плотный контакт с фоторезистом), бесконтактной (на микрозазоре) и проекционной. При контактном экспонировании минимально получаемый размер элементов не превышает 50-200мкм, следовательно, для полупроводниковых ИМС непригоден. Бесконтактный оптический метод также имеет недостаток, обусловленный законами оптики, согласно которым минимальные размеры изображения не могут быть меньше света. Для получения более мелких деталей служит рентгеновская и электронно-лучевая литография. К достоинствам электронно-лучевой литографии можно отнести большую глубину резкости и возможность управлять одним лучом (т.е. сканировать).

Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов заключается в обработке фотослоя органическим растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению, растворяются, а облученные участки сохраняются. В позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению, происходит разрушение структуры (деструкции) с образованием кислоты. После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120... 180 °С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются ее защитные свойства.

После получений фотомаски происходит операция травления, во время которой с поверхности подложки удаляются участки оксидного слоя в окнах фотомаски. При травлении в жидких травителях используются водные растворы неорганических соединений (обычно кислот). С травлением в жидких травителях связано не только явление подтравливания под фотомаску, по и разброс величины подтравливания. Существенное повышение точности травления достигается при «сухих» методах травления, при которых разрушение слоя происходит механически за счет бомбардировки потоком заряженных частиц (ионов инертного газа). К методам сухого травления относят ионное (ионно-лучевое) травление, основанное на физическом взаимодействии травимого слоя с ионами (распылении), и плазменное (ионно-плазменное) травление, основанное на проведении в плазме химических реакций, приводящих к травлению.

На последнем этапе происходит удаление фотомаски и на поверхности подложки остается только полученная в результате фотолитографии оксидная маска.

14.2.2 Методы уменьшения технологической нормы– до 30 мин

Фотолитография является одним из наиболее важных этапов в технологических процессах производства СБИС. Возможности и ограничения, связанные с процессами литографии, являются основными факторами, определяющими технологическую норму (минимальные топологические размеры интегральных элементов), степень интеграции и быстродействие СБИС.

Основным параметром литографического процесса является разрешающая способность, определяемая рядом факторов, наиболее важный из которых - длина волны фотонов (или длина волны де Бройля электронов и ионов). Ниже перечислены современные литографические процессы в порядке уменьшения длины волны :

- фотолитография в ультрафиолетовой области спектра и в жестком ультрафиолете (мкм);

- ренттенолитография (нм);

- электронно-лучевая литография (нм);

- ионная литография (нм).

Очевидно, с точки зрения сокращения минимальных топологических размеров областей интегральных структур наиболее перспективными являются электронно-лучевая и ионная литографии, в которых вследствие малых значений длины волны можно не учитывать влияние дифракции на разрешающую способность.

Поскольку электроны и ионы обладают электрическим зарядом, они взаимодействуют с электрическим и магнитным полями, что позволяет создавать электростатические и магнитные линзы, обеспечивающие фокусировку и центровку электронного луча, а также возможность сканирования по поверхности образца. При этом возможно бесшаблонное экспонирование резиста, нанесенного на поверхность полупроводниковой пластины, что позволяет, в частности, использовать электронно-лучевую и ионную литографии для создания фото- и ренттеношаблонов очень высокого качества.

Дополнительным важным достоинством электронно-лучевой литографии является возможность экспозиции непосредственно слоя оксида кремния без использования резистов. Экспонированные области оксида травятся в несколько раз быстрее, чем неэкспонированные. Ионная литография также позволяет сопровождать прорисовку элементов микрорисунка одновременным распылением экспонируемого слоя (например, оксида кремния).

Тем не менее, существует ряд факторов, ограничивающих использование электронно-лучевой и ионной литографий в процессе производства современных СБИС. К основным из них следует отнести:

- эффект близости, ограничивающий разрешающую способность электроннолучевой литографии и обусловленный рассеянием электронов в слое резиста вследствие их малой массы;

- наличие определенных искажений (сферическая и хроматическая аберрации, астигматизм), ограничивающих разрешающую способность, которые невозможно полностью скорректировать электро- и магнитооптическими системами;

- сравнительно низкую производительность, обусловленную необходимостью сканирования сфокусированным «точечным» или профильным электронным (ионным) пучком;

- высокую стоимость оборудования.

Сравнительно большая длина волны ультрафиолетового излучения и проблемы, связанные с формированием рентгеновских пучков, ограничивают разрешающую способность фото- и ренттенолитографии и позволяют формировать элементы микрорисунков с минимальными размерами до 0,3 мкм.

Тем не менее, согласно прогнозам к 2014 г. предполагается сократить минимальный топологический размер элементов СБИС до 50 нм при использовании фотолитографии в области жесткого ультрафиолета (нм) и ренттенолитографии.

Для достижения этой цели разрабатываются новые подходы и методы. Наиболее перспективными в настоящее время считаются методы фото- и ренттенолитографии, основанные на корректировке элементов рисунка шаблона с учетом дифракционных эффектов. Микрорисунок, получаемый при экспонировании, в данном случае не повторяет изображение шаблона, а определяется в результате дифракции ультрафиолетовых или рентгеновских лучей на элементах шаблона, что позволяет формировать элементы микрорисунков с размерами, значительно меньшими длины волны излучения.