Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Лекции - Технология изделий интегральной техники - файл Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc


Загрузка...
Лекции - Технология изделий интегральной техники
скачать (17097.2 kb.)

Доступные файлы (1):

Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc18720kb.21.06.2006 09:24скачать

Конспект лекций_«Технология изделий интегральной техники».doc

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14
Реклама MarketGid:
Загрузка...

6.6. Травление



Обычно травление ассоциируется с использованием специальных растворов – травителей для общего или локального удаления поверхностного слоя твердого тела на ту или иную глубину. Действительно, жидкие травители остаются главным средством для достижения указанной цели. Однако в технологии микроэлектроники появились и другие средства, выполняющие ту же задачу. Поэтому в общем случае травление можно рассматривать как не механические способы изменения рельефа поверхности твердого тела.

Классический процесс химического травления состоит в химической реакции жидкого травителя с твердым телом с образованием растворимого соединения; последнее смешивается с травителем и в дальнейшем удаляется вместе с ним. Переход поверхностного слоя твердого тела в раствор означает удаление этого слоя. Однако, в отличие от механического удаления, травление обеспечивает гораздо большую прецизионность процесса: стравливание происходит плавно – один мономолекулярный слой за другим. Подбирая травитель, его концентрацию, температуру и время травления, можно весьма точно регулировать толщину удаляемого слоя. Например, при химической полировке пластины кремния (см. 6.2), используя соответствующий травитель, можно обеспечить скорость травления 0,1 мкм/мин, т. е. за 20–30 снять слой толщиной всего 40–50 нм.

Для большей равномерности травления и удаления продуктов реакции с поверхности ванночку с раствором вращают в наклонном положении (динамическое травление) или вводят в раствор ультразвуковой вибратор (ультразвуковое травление).

Конечно, травление подчиняется законам физической химии, но в реальных условиях имеется столько привходящих обстоятельств, что рецептура травителей для каждого материала подбирается не расчетным путем, а экспериментально.

Характерной особенностью локального травления (через защитную маску) является так называемое подтравливание (рис. 6.10, а) – эффект, в какой-то мере аналогичный боковой диффузии (рис. 6.5, б). Он выражается в том, что травление идет не только в глубь пластины, но и в стороны – под маску. В результате стенки вытравленного рельефа оказываются не совсем вертикальными, а площадь углубления – несколько больше площади окна в маске.

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 ее обрыва.



Рис. 6.10. Локальное травление кремния: а - изотропное; б – анизотропное


Так называемое ионное травление (один из специфических процессов в микроэлектронике) не связано с использованием жидкостей. Пластина кремния помещается в разреженное пространство, в котором, невдалеке от пластины, создается тлеющий разряд. Пространство тлеющего разряда заполнено квазинейтральной электронноионной 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. Аналогичным способом достигается очистка поверхности от загрязнений – ионная очистка. Структура ионно-плазменных установок описана в 6.9.

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 затратах 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 (рис. 2.2), а наибольшая – направлению [100], в котором 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. 6.10, 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. 6.10, б угол между плоскостями (100) и (111) составляет 61,5°]. Поэтому вместе методом масок метод анизотропного травления дает разработчику ИС возможность проектировать рельеф отверстий не только по плоскости, но и по глубине.


Напряжение, свойственное ионному травлению (2–3 кэВ), значительно меньше ускоряющих напряжений при ионной имплантации, поэтому внедрение ионов в пластину не происходит.

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. 6.10, а). Соответственно при анизотропном травлении наружные размеры лунок могут практически совпадают с размерами окон в маске.

^

6.7. Техника масок



В технологии 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 изготовлен ля масок сохраняет фотолитография, которой мы уделим главное внимание.

6.7.1. 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.

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 20–50 мкм и менее (до 2–3 мкм). Поскольку ИС изготавливаются групповым методом (см. 1.2), на фотошаблоне по «строкам» и «столбцам» размещается множество однотипных рисунков. Размер каждого рисунка соответствует размеру будущего кристалла ИС.





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





Рис. 6.12. Этапы процесса фотолитографии:

а – экспозиция фоторезиста через фотошаблон;

б – локальное травлениедвуокиси кремния через фоторезистную маску;

в – окисная маска после удаления фоторезиста


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

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





Рис. 6.13. Совмещение фотошаблона с рисунком на поверхности ИС


Через фоторезистивную 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. 6.12, в и 6.4, б). Через нее 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 –слоя получить –слой шириною 10 мкм (показан штрихами), смещенный на 7 мкм относительно центра –слоя. Для этого рисунок 2–го фотошаблона необходимо совместить с уже существующим рельефом (т. е. с границами –слоя) с точностью 1–2 мкм.

При многократном использовании фотолитографии (в технологии ИС до 5–7 раз) допуск на совмещение доходит до 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.

Если используется негативный фоторезист, то и фотошаблон должен быть негативным, т. е. будущим отверстиям в окисной маске должны соответствовать непрозрачные участки.

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



Рис. 6.14. Схема координатографа

6.7.2. Фотошаблоны



Первым этапом процесса изготовления фотошаблонов является вычерчивание оригинала. Оригинал представляет собой рисунок одного из элементов фотошаблона, увеличенный в масштабе от 100:1 до 1000:1. Следовательно, микроскопическому прямоугольнику мкм на фотошаблоне соответствует на оригинале прямоугольник мм или мм, в зависимости от принятого увеличения. Прямоугольники таких размеров можно выполнить с большой точностью (неровность краев не превышает ±25 мкм, т. е. несколько процентов). При размерах кристалла мм размеры оригинала могут быть см и более.

Элементом фотошаблона называют участок, соответствующий одному кристаллу. При групповом методе изготовления ИС на пластине (а значит, и на фотошаблоне) располагаются сотни таких элементов (рис. 6.11).

Оригиналы изготавливают на координатографах (рис. 6.14). Координатограф представляет собой стол (1) с плоской поверхностью, над которой расположена система из двух подвижных взаимоперпендикулярных реек (2 и 3). В месте пересечения реек расположена скользящая муфта (4) с острым штифтом (5), касающимся поверхности стола. Перемещая рейки параллельно самим себе, можно процарапывать штифтом горизонтальные и вертикальные линии. На столе закрепляется стекло или пластик (6) необходимых размеров, покрытые вверху тонкой темной пленкой нитроэмали (7). Штифтом координатографа процарапывают в пленке контуры (периметры) будущих отверстий, после чего оконтуренную пленку отслаивают – сдирают, обнажая соответствующие участки.

Следующим этапом является так называемый промежуточный отсъем оригинала, т. е. его фотографирование на стеклянную фотопластинку с уменьшением (редуцированием) изображения в 10–20 раз. При особо больших масштабах оригинала промежуточных отсъемов бывает два с суммарным редуцированием в 50–100 раз.

Заключительным этапом является финальный отсъем с одновременным размножением (мультипликацией) рисунка по фотошаблону (см. рис. 6.11). Редуцирование размеров при финальном отсъеме зависит от редуцирования при промежуточном отсъеме; обычно оно составляет 5–10. Мультипликация, осуществляется с помощью так называемых фотоштампов – фотоаппаратов, у которых предусмотрено шаговое перемещение фотопластинки в фокальной плоскости. Если, например, размеры будущего кристалла составляют мм, то шаг перемещения по горизонтали и вертикали должен составлять примерно 2 мм.

При использовании фотошаблона его эмульсионный слой изнашивается (стирается) уже после 15–20 наложений. Поэтому изготовленный фотошаблон хранится в специальной библиотеке, а с него время от времени снимаются рабочие копии (методам контактной фотопечати). Срок службы фотошаблонов можно увеличить на два порядка и более путем металлизации: замеряя пленку фотоэмульсии на пленку износостойкого металла, обычно хрома. Meталлизированные фотошаблоны получают примерно тем же способом, что и металлическую разводку (см. ниже), т. е. использованием фотолитографии.

Фотошаблоны изготавливаются комплектами по числу операций фотолитографии в технологическом цикле. В пределах комплекта фотошаблоны согласованы, т. е. обеспечивают совмещение рисунков при совмещении соответствующих отметок.

^

8.7.3. Новые решения и тенденции



Описанные методы долгое время составляли одну из основ микроэлектронной технологии. Они и до сих пор не потеряли своего значения. Однако по мере повышения степени интеграции и уменьшения размеров элементов ИС возник ряд проблем, которые частично уже решены, а частично находятся в стадии изучения.

Фотолитографии, при всем ее современном значении, свойственны ограничения, которые становятся все более существенными по мере прогресса микроэлектроники.

Одно из принципиальных ограничений касается разрешающей способности, т.е. минимальных размеров в создаваемом рисунке маски. Дело в том, что длины волн ультрафиолетового света составляют 0,2–0,3 мкм. Следовательно, каким бы малым не было отверстие в рисунке фотошаблона, размеры изображения этого отверстия в фоторезисте не могут достигать указанных значений (из–за дифракции). Поэтому разрешающая способность фотолитографии оценивается как 1000 линий/мм (имеется в виду получение в фоторезисте разделенных окон полосок шириной 0,5 мкм). После проявления и травления окисла разрешающая способность снижается до 250–500 линий/мм. Между тем размеры порядка 1–2 мкм уже оказываются недостаточно малыми при создании больших и сверхбольших ИС.

Наиболее очевидный путь для повышения разрешающей способности литографии – использование при экспозиции более коротковолновых излучений, например, мягкого рентгеновского (с длинами волн 1–2 нм). Этот путь находится в стадии исследования. Однако простое уменьшение длины волны не решает проблему совмещения рисунков.

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.

За последние годы разработаны 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. Например, при диаметре пучка 0,2–0,5 мкм время сканирования пластины, в зависимости от типа резиста и размеров пластины, может лежать в пределах от десятков минут до нескольких часов.

Одна из разновидностей электронной литографии основана на отказе от резистных масок и предусматривает воздействие электронного пучка непосредственно на окисный слой . 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).

1   ...   6   7   8   9   10   11   12   13   14



Скачать файл (17097.2 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru