6.7. Техника масок

В технологии полупроводниковых приборов важное место занимают маски: они обеспечивают локальный характер напы­ления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпи- таксии. 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 внимание.

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 незасве- ченные участки (как в обычном фотонегативе). В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки и, значит, будут вытравливаться засвеченные участки.

А-А

I -1 ■ | -1

| -1 ■ | -1

Т

) / <!> ■/ '' '' 1

2

ч

/

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

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 как десятки и единицы микронов, так и доли микрона (в случае т. н. субмикронной техноло­гии). Поскольку ИС изготавливаются групповым методом (см. раздел 1.2), на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каж­дого рисунка соответствует размеру будущего кристалла ИС.

Процесс фотолитографии для получения окон в окисной ма­ске Si0₂, покрывающей поверхность кремниевой пластины, со­стоит в следующем (рис. 6.12).

Свет

ШИШИ

Травитель

а) б) в)

Рис. 6.12. Этапы процесса фотолитографии, а — экспозиция фоторезиста через фотошаблон; б — локальное травление двуокиси кремния через фото- резистную маску, в — окисная маска после удаления фоторезиста

SiO

(Г*

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 задублива- нии и термообработке фоторезиста) в нем получаются окна на тех местах, которые соответствуют прозрачным участкам на фотошаблоне³. Как говорят, мы перенесли рисунок с фотошаб­лона на фоторезист. Теперь слой фоторезиста представляет со­бой маску, плотно прилегающую к окисному слою (рис. 6.12, б).

Через фоторезистную маску производится травление окисно- го слоя вплоть до кремния (на кремний данный травитель не действует). В результате рисунок с фторезиста 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 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. 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 р-слоя получить га-слой шири­ною 10 мкм (показан штрихами), смещенный на 7 мкм относительно центра р-слоя. Для этого рисунок 2-го фотошаблона необходимо совме­стить с уже существующим рельефом (т.е. с границами р-слоя) с точ­ностью не менее ОД 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» (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.

Окно ^ / ¹¹ Фотошаблон под п слой ф '( // // // // // '/

Рис. 6.13. Совмещение фотошаблона с рисунком на поверхности ИС

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 слу­

жить процесс создания металлической разводки в полупровод­никовых ИС (см. раздел 6.9).

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-луче- вой литографии в масштабах 1:1 и 4:1. При этом объем данных при проектировании уже в настоящее время достигает 0,5-1 Гбайт, а в перспективе 10-100 Гбайт.

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. 6.11). Ре­дуцирование размеров при финальном отсъеме зависит от мас­штаба при промежуточном отсъеме. Мультиплицирование осу­ществляется на специальных фотоштампах, «размножающих» изображение кристалла на всю подложку фотошаблона разме­ром до 150x150 мм².

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. Описанные выше процессы до сих пор не потеряли своего значения в качестве одной из основ 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% ме­нее 1,0-0,4 мкм. Между тем уже в настоящее время при созда­нии больших и сверхбольших ИС такие размеры элементов оказываются недостаточно малыми.

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 М1:1 и рентгенорезистов. Дру­гой тяжелой задачей является поиск адекватных методов со­вмещения шаблонов.

За последние годы разработаны методы электронной лито графии. 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. Примерами могут служить изопланарная техноло­гия (рис. 7.10) и технология МОП-транзисторов с самосовме­щенным затвором (рис. 7.30 и 7.31).

Реальный прогресс и ближайшие перспективы промышлен­ных методов литографии показаны на рис. 6.14.

'мин'^МКМ

Рис. 6.14. Прогресс и перспективы промышленных методов литографии.

I — оптическая литография с длиной волны 365 нм, 248 нм и 193 нм. И — ре нтге но литография или прямое получение рисунка с помощью элект­ронного луча. III — электронно-лучевая проекционная литография.

N — количество логических элементов микропроцессора на 1 см² кристалла БИС

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. 6.14 показаны наиболее вероятные 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.