8.2.5. Травление

Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций, связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника. Однако травление имеет более широкое применение.

Остановимся сначала на химическом травлении. Оно подразделяется на изо­тропное, анизотропное и селективное. Изотропное травление – это растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографи­ческим направлениям. Такое травление позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление называют также полирую­щим или химическим полированием. Анизотропное травление – растворение по­лупроводникового материала с неодинаковой скоростью по различным кристалло­графическим направлениям позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. Се­лективное (избирательное) травление – растворение полупроводникового мате­риала с повышенной скоростью травления в местах выхода на поверхность струк­турных дефектов.

Анизотропным травлением получают углубление различных конфигураций на поверхности полупроводниковых пластин, разделительные канавки для диэлектри­ческой изоляции и др. Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и дорожки в маскирующих пленках SiO₂ или нитрида кремния Si₃N₄, поэто­му его скорость, форма углубления и боковое расширение («подтравливание») зави­сят от кристаллографического направления их сторон. Например, можно получить V-образный профиль углублений. Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов, микроцарапин. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между скоростью травления дефектного и безде­фектного участков.

Перед травлением пластины обязательно обезжиривают, а после выполнения операции химической очистки или травления пластины промывают деионизованной водой. Применяется жидкостное и сухое травление. Сухое травление осуществля­ется путем ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. Сухое травление поверх­ности пластин, используемое в технологическом процессе изготовления ИС после фотолитографии (см. § 8.2.6) для создания рельефа (канавок, углублений и др.), от­носится к классу анизотропного травления, но является более эффективным, чем жидкостное травление.

8.2.6. Литография

Литографией называют процесс получения требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводниковых или диэлектрических подложек. Литография основана на использовании особых со­единений – резистов, обладающих свойством изменять свои свойства под действием различных излучений: ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентгенолучевая литография), потока электронов (электронная литография).

Наиболее широкое применение в производстве интегральных схем получила фотолитография. Чувствительные к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию света через специальные стеклянные маски с прозрачными и непрозрачными участками (фотошаблоны). Это обеспечивает воздействие излучения на фоторезист на определенных участках. При последующем воздействии соответствующих химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещен­ных в зависимости от типа использованного фоторезиста (проявление). Таким обра­зом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от типа фоторезиста его растворимость после облучения может либо возрастать (позитивные фоторезисты), либо падать (негативные фоторезисты). Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении (рис. 8.5,а), а пленка негативного фоторезиста, на­оборот, под действием излучения становится нерастворимой, а растворяются при проявлении неосвещенные участки (рис. 8.5,б). На этом рисунке ФШ – фотошаблон, ФР – фото­резист, ЗП – защитная пленка фоторезиста на полупроводни­ковой подложке (двуокись крем­ния, боросиликатное стекло, фосфоросиликатное стекло, алю­миний и др.). Слои фоторезиста имеют толщину от 2,5 до 20 мкм.

В настоящее время практи­ческое применение нашли контактноe и проекционное экспо­нирование. При контактном экс­понировании размер изображения после проявления совпадает с размером окон на фотошаблоне с точностью до дифракционного рассеяния на краях. При серийном производстве контактная фотолитография обеспечивает в слое фоторезиста мини­мальный размер 0,8 мкм. Проекционное экспонирование позволяет уменьшить этот размер до 0,4 мкм. При этом способе размеры рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, так как проецирование на фоторезист осуществляется с по­мощью оптической системы в масштабе 10:1, 4:1 и др.

Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластинки с рисунком, состоящим из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участ­ков, создающих топологию одного из слоев структуры прибора или элемента инте­гральной схемы, многократно повторенной в пределах поля пластинки для одновре­менного изготовления большого числа ИС. Обычно используют металлостеклянные фотошаблоны, в которых рисунок создается тонкой металлической пленкой, нанесен­ной на стеклянную подложку. Для изготовления фотошаблонов применяют в основном два метода. Первый состоит в механическом вырезании первичного оригинала -уве­личенного в 200... 500 раз рисунка, фотографическом уменьшении рисунка и его муль­типликации. Второй – метод генерации изображений или метод фотонабора – основан на разделении топологической структуры фотошаблона на элементарные прямоуголь­ники различной величины и последовательной фотопечати этих прямоугольных эле­ментов на фотопластинку, на которой образуется промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением рисунка по сравнению с его окончательным размером. Рабо­та на фотонаборных установках осуществляется с помощью ЭВМ. Технические харак­теристики микрофотонаборных установок следующие: размер пластин 70×70 мм, дис­кретность перемещения 2,5 мкм, точность позиционирования ±1,5 мкм, производитель­ность 900 экспозиций в час.

Мы уже отмечали, что при контактной фотолитографии в серийном производст­ве минимальный размер элемента 0,8 мкм, а при проекционной – 0,4 мкм. Поскольку минимальный размер элемента интегральной схемы определяет плотность упаков­ки, надежность, стоимость и такие важные параметры, как быстродействие и по­требляемая мощность, то получение субмикронных размеров элементов является одной из основных задач БИС, СБИС и УБИС. Для борьбы с дифракционным рассе­янием, препятствующим уменьшению размера элементов, перспективным являет­ся использование коротковолнового УФ-излучения, рентгеновского излучения, а также электронных пучков.

При рентгеновской литографии поток мягких рентгеновских лучей с длиной вол­ны 0,4...1,4 нм направляется на шаблон, под которым располагается подложка, по­крытая резистом, чувствительным к рентгеновскому излучению. Время экспонирова­ния составляет несколько минут. Для изготовления шаблона можно использовать кремний с толщиной несколько микрометров, прозрачный для рентгеновского излуче­ния. Для получения маски используется пленка золота (0,3 мкм), наносимая на тонкий слой кремния. В качестве источников рентгеновского излучения могут быть использо­ваны рентгеновские трубки с ускоряющим напряжением около 8 кВ. Минимальный размер элемента, получаемый при рентгеновской литографии, 0,1 мкм.

Вэлектронной литографии используются электронные пучки. Длина волны при энергии электронов 15 кэВ около 10^-15 мкм, т.е. примерно на четыре порядка меньше, чем у светового излучения, и на два порядка меньше, чем у рентгеновского излучения. Однако вследствие рассеяния электронов и образования вторичных электронов с дос­таточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электро­нами, превышает размеры сечения электронного пучка и позволяет по оценкам полу­чить разрешающую способность лишь 0,2 мкм. Общий недостаток всех систем элект­ронной литографии состоит в необходимости помещения подложки в вакуум, что усло­жняет технологию процесса литографии. От этого недостатка свободна рентгено-лучевая литография; при этом используется более простое и дешевое оборудование.