Лекции / Лекция1

Одной из основных и постоянно действующих тенденций в развитии микроэлектроники является рост степени интеграции, связанный, в первую очередь, с уменьшением размеров элементов микросхем. В настоящее время мировая микроэлектроника вступила в очередной этап своего развития, характеризующийся переходом к размерам элементов 0,13 - 0,18 мкм и менее, степенью интеграции более 10⁸ транзисторов на одном кристалле и диаметром обрабатываемых пластин  = 200 – 300 мм. Формирование элементов с такими размерами, в первую очередь, стало возможным, благодаря внедрению в технологию микроэлектроники методов электронной, рентгеновской и ионной литографии, а также с совершенствованием уже известных и поиском новых технологий при создании СБИС. Из табл.1 видно, что с 1998 года минимальный размер уменьшится от 0,25мкм до 70 нм в 2010 году. При этом размер кристалла возрастет от 300 до 1400 мм² , на котором можно будет разместить динамическое оперативное запоминающее устройство емкостью 64 Гбит. Кроме того, что уменьшаются размеры элементов СБИС, возрастает количество слоев металлизации. На рис.1 показан кристалл с 10-тью слоями металла.

Таблица 1

Внедрение, год	Минимальный размер элементов топологии, нм	Площадь кристалла, мм2	Емкость ДОЗУ, бит
1995	350	180	64М
1998	250	350	256М
2001	200	480	1Г
2004	180	700	4Г
2007	130	1000	16Г
2010	70	1400	64 Г

Рис.1. Элемент УБИС с 10-тью слоями металла (9 –ть слоев Cu и 1- Al)

Данный прогресс в микроэлектронике в последние годы и дальнейшее развитие кремниевой технологии в 2000-х годах не возможен без применения в промышленной технологии низкотемпературной плазмы, которая используется в процессах травления и нанесения тонких пленок, и снятия фоторезиста. Широко изучается применение плазмы для процессов окисления, очистки поверхности пластин от органических и металлических загрязнений, планаризации поверхности пластин и ионной имплантации. Это подтверждается и тем, что с начала 90-х годов объем мирового производства плазменных реакторов для микроэлектронных производств возрос с 1 до 2 миллиардов долларов и продолжает интенсивно увеличиваться.

В технологии микроэлектроники плазменные процессы впервые были использованы для травления и плазмостимулированного нанесения. О возможности осаждения диэлектрических слоев ( SiO₂ и Si₃N₄) в плазме тлеющего разряда было сообщено в 1965 году. Начало использования процессов травления в низкотемпературной плазме относится к концу 60-х годов. В основном процессы травления применялись для снятия фоторезиста в кислородной плазме, для очистки пластин, а также для изготовления уникальных по тем временам приборов с размерами элементов порядка 3 мкм. В этоже время применялось и ионное травление, обеспечивающее универсальность и простоту обработки материалов. Высокое разрешение, присущее процессам ИТ, в те годы еще не являлось решающим фактором, в то время как низкие значения основных технологических параметров процесса (селективность и скорость травления и как следствие – низкая производительность) делали процессы ионного травления неконкурентоспособными в массовом производстве ИС по сравнению с ЖХТ.

Положение коренным образом изменилось, когда в конце 60-х начале 70 –х годов стало интенсивно развиваться плазмохимическая обработка, которая по скорости и селективности сравнимо с ЖХТ, а в то же время превосходит последнее по разрешению. Процессы ПХО были доминирующими до конца 70-х годов, поскольку их разрешение (порядка 2-3 мкм) удовлетворяло в то время требованиям массового производства ИС. Дальнейшее уменьшение размеров элементов ИС до 1 мкм и тем более освоение технологии изготовления ИС с субмикронными размерами элементов уже не могли быть реализованы с помощью ПХО из-за ее недостаточного разрешения. Поэтому в начале 80-х годов появились и стали интенсивно развиваться процессы и системы реактивного ионно – плазменного травления, в которых удачно сочетались высокое разрешение с высокой скоростью и селективностью, присущие жидкостным химическим процессам. Кроме того, увеличение размера пластин, повышение степени интеграции ИС, а, следовательно, и стоимости пластин, с одной стороны, и необходимость повышения эффективности использования энергии и материалов – с другой, определили переход от установок групповой обработки пластин к индивидуальной с автоматическим управлением процессом.

В современных условиях, когда общим требованием к процессам плазменного травления в режиме индивидуальной обработки пластин является достижение значений скорости травления различных функциональных слоев СБИС порядка 1 мкм/мин или даже более, использование методов реактивного ионного травления становится проблематичным. При этом следует учитывать, что необходимо формировать структуры с размерами элементов 0,2 мкм и менее. Достижение таких характеристик процессов стало возможным лишь при появлении источников высокоплотной плазмы (ИВПП).

Аналогичным образом совершенствовались процессы и оборудование для плазмо – стимулированного осаждения. На рис.2 показаны тенденции совершенствования процессов и оборудования для плазмохимического травления.

Рис.2. Тенденции совершенствования оборудования для плазмохимического травления.

Таким образом, тенденции совершенствования оборудования для плазмохимического травления и плазмостимулированного осаждения тонких слоев в субмикронной технологии микроэлектроники на современном этапе выражаются в следующем:

 снижении рабочих давлений до уровня 10  10 торр,

 снижении температур подложки в процессе обработки до комнатных или более низких (охлаждение),

 снижении энергии ионов, бомбардирующих подложку, в процессе обработки от 100 до 10 эВ по порядку величины,

 увеличении плотности потоков ионов и радикалов на 1 - 2 порядка величины за счет увеличения плотности плазмы (10¹¹ – 10¹³ см^-3).

Е

Модули загрузки - выгрузки

ще одной важной тенденцией развития микроэлектроники в современных условиях является интеграция технологических процессов, которая реализуется с помощью технологических кластерных установок, в которых объединяются несколько технологических модулей, окружающих центральный робот, передающий пластины последовательно из одного модуля в другой в условиях вакуума. Конструкция установки данного типа показана на рис.3. При этом следует отметить, что обработка пластин в кластерах уменьшает уровень привносимой дефектности и исключает влияние атмосферы на работоспособность элементов ИС пластины. В настоящее время такие установки производятся ведущими зарубежными фирмами изготовителями технологического оборудования, такими как Applied Materials, Balzers, Lam Research.

Транспортный

модуль

Процессные модули

Рис.3. Схема кластерной установки.

Другой важной причиной внедрения кластерного оборудования является возможность наиболее экономичного и эффективного использования разрабатываемых новых процессов, реализуемых в процессных модулях. Действительно, в этом случае нет необходимости в изготовлении новой дорогостоящей установки со всей инфраструктурой, включающей системы загрузки – выгрузки и транспортировки пластин, управления, обеспечение вакуумом и энергоносителями. В кластере используется экономичная конструкция рабочей камеры, адаптированная к новому процессу, и ее стыковка на свободную позицию транспортного модуля. Только после того, как модуль с новым процессом доказывает свою эффективность по сравнению со старым, он полностью вытесняет последний из кластерного оборудования. В этом смысле кластерные платформы должны иметь некоторую избыточность. Повышение производительности в кластерной системе обеспечивается за счет оптимизации ее конфигурации и использования нескольких идентичных кластеров на трудоемких операциях, а также выравнивания времени процессов и сокращения времени межкластерных переходов.

На современном этапе при производстве кристаллов СБИС перед технологами и разработчиками технологического оборудования стоит задача создания полностью замкнутой и интегрированной в пространстве системы – суперкластер (микрофабрикатор). Основными препятствиями на пути решения данной проблемы являются жидкостные процессы нанесения и проявления фоторезистивных масок, химико – механической планаризации (ХМП) функциональных слоев и химической очистки поверхности подложек. Поэтому ведущие зарубежные фирмы проводят интенсивные исследования с целью замены этих процессов на «сухие», проводимые в вакууме с использованием лазерных и ионных пучков и газоразрядной плазмы. В этом случае удастся решить проблему реализации полностью «сухого» технологического процесса изготовления СБИС на основе суперкластера. При этом вопросы о количестве и номенклатуре модулей должны решаться в процессе моделирования работы суперкластера в различных режимах.