18.7.Травление.

ЛЕКЦИЯ 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

18.7. Травление.

Характерной особенностью локального травления (через защитную маску) является так называемое подтравливание (рис. 18.10, а) – эффект, в какой-то мере аналогичный боковой диффузии (рис. 18.5, б). Он выражается

втом, что травление идет не только в глубь пластины, но и в стороны – под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не со всем вертикальными, а площадь углубления – несколько больше площади окна

вмаске.

Электролитическое травление отличается тем, что химическая реакция жидкости с твердым телом и образование растворимого соединения происходят в условиях протекания тока через жидкость, причем твердое тело играет роль одного из электродов – анода. Значит, твердое тело в данном случае должно обладать достаточной электропроводностью, что, конечно, ограничивает круг используемых материалов. Преимуществом электролитического травления является возможность регулировать скорость травления путем изменения тока в цепи и прекращать процесс путем его отключения.

Так называемое ионное травление (один из специфических процессов в микроэлектронике) не связано с использованием жидкостей. Пластина кремния помещается в разреженное пространство, в котором недалеко от пластины создается тлеющий разряд. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронно-ионной плазмой.

На пластину относительно плазмы подается достаточно большой отрицательный потенциал. В результате положительные ионы плазмы бомбардируют поверхность пластины и слой за слоем выбивают атомы с поверхности, т. е. травят ее. Напряжение, свойственное ионному травлению (2–3 кэВ), значительно меньше ускоряющих напряжений при ионной имплантации, поэтому внедрение ионов в пластину не происходит.

Аналогичным способом достигается очистка поверхности от загрязнений – ионная очистка.

Ионное травление, как и химическое, может быть общим и локальным. Несомненным преимуществом локального ионного травления является отсутствие «подтравливания» под маску: стенки вытравленного рельефа практически вертикальны, а площади углублений равны площади окон в маске.

Общее преимущество ионного травления заключается в его универсальности (не требуется индивидуального кропотливого подбора травителей для каждого материала), а общий недостаток – в необходимости дорогостоящих установок и значительных затрат времени на создание в них нужного вакуума.

За последние годы разработаны и широко используются методы так называемого анизотропного травления. Эти методы основаны на том, что скорость химической реакции, лежащей в основе классического травления, зависит от кристаллографического направления. Наименьшая скорость свойственна направлению (111), в котором плотность атомов на единицу площади максимальна, а наибольшая – направлению (100), в котором

ЛЕКЦИЯ 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

18.7. Травление.

плотность атомов минимальна. Поэтому при использовании специальных анизотропных травителей скорость травления оказывается разной в разных направлениях и боковые стенки лунок приобретают определенный рельеф – огранку. Пример огранки при травлении в плоскости (100) показан на рис. 18.10, б. Как видим, в данном случае травление идет параллельно плоскостям (111), поскольку в направлении (111), перпендикулярном этой плоскости, скорость травления намного меньше, чем в других направлениях.

Углы, под которыми вытравливаются боковые стенки лунок, строго определены и поддаются расчету (например, на рис. 18.10, б угол между плоскостями (100) и (111) составляет 61,5°). Поэтому вместе с методом масок метод анизотропного травления дает разработчику ИС возможность проектировать рельеф отверстий не только по плоскости, но и по глубине.

Тот факт, что плоскость (111) как бы «непроницаема» для травителя, обеспечивает еще одно преимущество анизотропного травления: если края окон в маске ориентированы по осям (100), то отсутствует явление подтравливания, свойственное изотропному травлению (рис. 18.10, а). Соответственно при анизотропном травлении наружные размеры лунок могут практически совпадать с размерами окон в маске.

18.8.Техникамасок.

Втехнологии 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 изготовления масок сохраняет фотолитография, которой мы

уделим главное вни-мание.

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.

ЛЕКЦИЯ 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

18.8. Техника масок.

соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне. Как говорят, перенесли рисунок с фотошаблона на фоторезист. Теперь слой фоторезиста представляет собой маску, плотно прилегающую к окисному слою (рис.

18.12, б).

Через фоторезистную 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. 18.12, в). Через окна в этой маске 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. 18.13.

Пусть с помощью предыдущей фотолитографии и диффузии в пластине выполнен р-слой шириной 30 мкм, а с помощью следующей фотолитографии и диффузии нужно внутри p-слоя получить n-слой шириною 10 мкм (показан штрихами), смещенный на 7 мкм относительно центра p-слоя. Для этого рисунок 2-го фотошаблона необходимо совместить с уже существующим рельефом (т. е. с границами p-слоя) с точностью не менее 0,1 от минимального размера изображения.

При многократном использовании фотолитографии (в технологии ИС до 15–20 раз) допуск на совмещение доходит до сотых долей микрона. Техника совмещения состоит в том, что на фотошаблонах делают специальные отметки, называемые реперными знаками (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.

Рассмотренный процесс фотолитографии характерен для получения окисных масок на кремниевых пластинах с целью последующей локальной

ЛЕКЦИЯ 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

18.8. Техника масок.

диффузии. В этом случае фоторезистная маска (рис. 18.12, 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.

Фотошаблоны. Первым этапом процесса изготовления фотошаблонов является конструирование и вычерчивание послойной топологии фотошаблонов. Ранее, когда размеры элементов топологии составляли единицы микрон, а количество элементов на кристалле не превышало десятков тысяч, фотошаблоны вычерчивались на специальных координатографах в масштабе 100:1 и 300:1. В настоящее время при субмикронных размерах элементов и их количестве на кристалле до десятков миллионов, фотошаблоны изготавливаются только с помощью компьютерных комплексов, использующих методы электронно-лучевой литографии в масштабах 1:1 и 4:1. При этом объем данных при проектировании уже в настоящее время достигает десятки и сотни гигабайт.

Следующим этапом является так называемый промежуточный отсъем оригинала, т. е. его фотографирование на стеклянную фотопластинку с необходимым уменьшением размеров и, если необходимо, мультиплицированием (см. рис. 18.11). Редуцирование размеров при финальном отсъеме зависит от масштаба при промежуточном отсъеме. Мультиплицирование осуществляется на специальных фотоштампах, «размножающих» изображение кристалла на всю подложку фотошаблона.

Фотошаблоны изготавливаются комплектами по числу операций фотолитографии в технологическом цикле. В пределах каждого комплекта фотошаблоны согласованы, т. е. обеспечивают взаимную ориентацию и совмещение с заданной точностью.

Одним из слабых мест классической фотолитографии является механический контакт фотошаблона с пластиной, покрытой фоторезистом. Такой контакт никогда не может быть совершенным и сопровождается разного рода искажениями рисунка. Конкурирующим методом является проекционная фотолитография, при которой рисунок фотошаблона проектируется на пластину с помощью специальной оптической системы.

Новые решения и тенденции в микроэлектронной технологии.

Описанные выше процессы до сих пор широко используются в микроэлектронной технологии. Однако по мере повышения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС возник ряд проблем, которые частично уже решены, а частично находятся в стадии изучения.

Одно из принципиальных ограничений фотолитографии касается разрешающей способности, т. е. минимальных размеров в создаваемом рисунке маски. Из-за дифракции света минимальный размер изображения на кристалле (при длине волны ультрафиолетового источника засветки фотошаблона 0,5–0,2 мкм) не может быть с допустимой точностью +10 %

ЛЕКЦИЯ 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

18.8. Техника масок.

менее 1,0–0,4 мкм. Между тем уже в настоящее время большие и сверхбольшие ИС с такими размерами элементов уже не производятся.

Наиболее очевидный путь для повышения разрешающей способности литографии – использование при экспозиции более коротковолновых излучений, например мягкого рентгеновского (с длинами волн 1–2 нм). Одной из наиболее трудноразрешимых проблем рентгенолитографии является создание рентгеношаблонов с масштабом М 1:1 и рентгенорезистов. Другой задачей является поиск адекватных методов совмещения шаблонов.

В последние годы широко используются методы электронной литографии. Их сущность состоит в том, что сфокусированный пучок электронов сканируют (т. е. перемещают «построчно») по поверхности пластины, покрытой резистом, и управляют интенсивностью пучка в соответствии с заданной программой. В тех точках, которые должны быть «засвечены», ток пучка максимален, а в тех, которые должны быть «затемнены», – минимален или равен нулю. Диаметр пучка электронов находится в прямой зависимости от тока в пучке: чем меньше диаметр, тем меньше ток. Однако с уменьшением тока растет время экспозиции. Поэтому повышение разрешающей способности (уменьшение диаметра пучка) сопровождается увеличением длительности процесса.

Одна из разновидностей электронной литографии основана на отказе от резисторных масок и предусматривает воздействие электронного пучка непосредственно на окисный слой Si02. Оказывается, что в местах «засветки» этот слой в дальнейшем травится в несколько раз быстрее, чем в «затемненных» участках.

Что касается проблемы совмещения рисунков, то ее стараются решать путем самосовмещения. Этот принцип можно охарактеризовать как использование ранее полученных структурных элементов в качестве масок для получения последующих элементов.

Реальный прогресс и ближайшие перспективы промышленных методов литографии показаны на рис. 1.2, лекция 1.

Если считать, что темпы развития микроэлектроники до 2010 г. не изменятся, то каждые три года, по-прежнему, минимальный размер элементов будет уменьшаться с коэффициентом 0,7. Для достижения таких разрешений, естественно, понадобятся и новые маскирующие материалы (резисты), и новые производительные установки экспонирования, и новые, интегрированные технологические процессы, отличающиеся от современных повышенными экологическими требованиями.

На рис. 1.2 (лекция 1) показаны методы, уже апробированные в научных лабораториях, которые могут обеспечить требуемые разрешения на пластинах кремния диаметром до 300 мм. При этом еще одной сложнейшей проблемой, решение которой предстоит найти, является поиск экономичных методов совмещения и контроля жестких допусков на совмещение.