книги / Методы повышения параметров БИС

ностями обладают эпитаксиальные методы (газофазные, жид* костные и молекулярно-лучевые) (62,120]. Методом эпитаксии из молекулярных пучков, позволяющим с высокой точностью контролировать состав материалов и толщину выращиваемых слоев, удается получать вводы со скошенными гранями, имею­ щими почти вдвое более высокую эффективность, чем аналогич­ ные структуры, полученные с помощью жидкостной эпитаксии, однако полученные молекулярной эпитаксией лазеры обладают худшими излучательными свойствами. При выращивании гетерозпитаксиальных слоев особо важное значение имеет согласова­ ние кристаллических решеток эпитаксиальных слоев, поскольку необходимая для канализации света разность Показателей пре­ ломления достигается благодаря тому, что смежные слои отли­ чаются друг от друга по составу материала.

Широко практикуется изготовление световодов методом диф­ фузии и методом ионной или протонной имплантации. Преиму­ ществом метода ионной имплантации является возможность по­ лучать световоды не только на поверхности, но и в глубине ма­ териала. При этом устраняется рассеяние света на поверхностных дефектах и загрязнениях и, главное, обеспечивается очень точная регулировка профиля изменения показателя преломления.

Методы получения органических пленок аналогичны методам, применяемым в фотолитографии [83, 87]. Для получения тон­ ких световодных пленок (0,5...2,0 мкм) используются два ос­ новных метода: полимеризация в плазме и нанесение из раство­ ра. Полимеризация в плазме высокочастотного разряда непригод­ на для нанесения фоточувствительных пленок, в которых должны быть сформированы световод или дифракционная решетка, из-за низкой разрешающей способности! Нанесение из раствора, широ­ ко применяемое в процессе фотолитографии, позволяет полу­ чать световодные пленки из полиметилметакрилата, полисти­ рола и других материалов. Метод обеспечивает высокое разре­ шение и пригоден для производства тонкопленочных гологра­ фических решеток.

Разнообразное применение в области создания устройств об­ работки и передачи информации находят приборы на поверхно­ стных акустических волнах (ПАВ), действие которых заключает­ ся в преобразовании входного электрического сигнала в акусти­ ческую волну, распространении ее вдоль поверхности пьезоэлект­ рического эвукопровода с преобразователем на входе и обрат­ ном преобразовании ее в электрический сигнал [52, 116, 132, 146,157].

Основными конструктивными элементами акустоэлектроиных приборов являются преобразователь электрического сигна-

61

Рис. 31. В'сгречжышыревой преобра­ зователь с металлическими электро­ дами (J) на пьезоэлектрической под-

!ложке (2)

Рис. 32. Схематическое представление возбуждения и распространения ПАВ:

1 - входной электромагнитный сигнал; 2 - задержанный электромагнит­ ный сигнал; 3 - пьезоэлектрический материал; 4 - встречно-штыревой преобразователь; 5 - ПАВ

ла в акустическую волну, обратный преобразователь и звукопровод. Наиболее распространенными преобразователями являются встречно-штыревые (ВШП), представляющие собой, например, структуры с металлическими электродами на пьезоэлектричес­ кой подложке (рис. 31). Схематическое представление возбуж­ дения и распространения ПАВ дано на рис. 32 [132].

Конструкция преобразователя (шаг и число электродов, их апертура иконфигурация) определяет такие параметры устройств на основе ПАВ, как центральная частота, полоса пропускания, форма амплитудно-частотной характеристики, потери преобразо­ вания. Способ электрического соединения преобразователя с внешними контактами устройства определяет фазу выходного электрического сигнала, а расстояние между входным и выход­ ным преобразователями - задержку сигнала.

Используя различные способы управления напряжением рас­ пространения акустической волны и ее интенсивностью, в ПАВустройсгвах можно реализовать самые различные функции. Для целей управления осуществляется, например, переизлучение вол­ ны из одного канала в другой вследствие ее взаимодействия с системой электродов (метод многополоскового ответвителя, МПО) или изменение направления распространения волны с по­ мощью отражательной решетки (с воздействием на акустическую волну световым или электронным потоком).

Диапазон частот, в котором оаботают приборы на ПАВ, определяется размерами кристаллов (нижний предел), а также технологическими возможностями изготовления субмикронных элементов и вязкостным поглощением звука в твердых телах (верхний предел).

62

Процесс изготовления устройств на основе ПАВ во многом сходен со стандартным планарным процессом изготовления ИС, однако ему присущи специфические особенности [133,146]. Для создания приборов на основе ПАВ используется более широкий ассортимент материалов, отличающихся по механическим и фи­ зико-химическим свойствам. Основные материалы, используе­ мые в акустоэлектронике, - Пьезоэлектрические диэлектрики, пьезоэлектрические полупроводники и слоистые структуры ти­ па диэлектрик-полупроводник. Изучаются возможности ис­ пользования магнитострикционных и сегнетоэлектрических материалов, полупроводников и материалов с большой фото­ упругостью.

При изготовлении подложки акустоэлектрониого прибора вы­ полняются такие операции, как резка определенным образом ориентированного кристалла, общая его шлифовка и полировка рабочей поверхности. Процессы обработки подложек должны обеспечивать очень высокий класс чистоты поверхности и низкие значения неплоскостности (не более 0,1 мкм), в то время как для ИС удовлетворительное качество поверхности может быть достигнуто путем химического травления.

Металлизация рабочей поверхности подложки (как правило, алюминием, золотом) производится чаще всего вакуумным спо­ собом. Металлические пленки должны обладать хорошей адге­ зией и высокой электропроводностью, равномерностью слоя при малых толщинах (0,1...0,5 мкм) и минимальным количест­ вом микродефектов.

Для изготовления определенной конфигурации электродов используются методы фото-, электроно- и рентгенолитографии.

Реализация возможностей выполнения ПАВ-устройствами за­ данных функций требует воспроизведения с высокой точностью размеров элементов структуры, которые должны соответствовать значениям, определяемым физикой протекающих процессов. Так, для осуществления полного переизлучения волны из одного про­ странственного канала в другой в способе МПО необходимо вы­ полнение условия LCTp = 1 / fc св; при этом число электродов

(^св ^ш)> где £ ст_ —длина структуры, d m - пространст­ венный шаг электродов МПО, ксв —коэффициент электромеха­ нической связи материала эвукопровода, X —длина волны [132]. Постоянство коэффициента передачи МПО во всем рабочем диа­ пазоне может быть обеспечено при d m <ХВ, где Хв - длина вол­ ны высшей частоты этого диапазона.

В производстве ПАВ-устройств к фотошаблонам предъявляют­ ся более жесткие требования в отношении допустимого числа,де­ фектов и точности перемещения при мультиплицировании повто­

63

Глава 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ СУБМИКРОННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БИС

2.1. ВАЖНЕЙШИЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Как отмечалось в гл. 1, наметившаяся тенденция к преодоле­ нию микронного барьера в размерах элементов БИС и СБИС требует перехода к более совершенным технологическим про­ цессам. При этом особое значение придается таким качествен­ ным показателям процессов, как высокая разрешающая способ­ ность, селективность, локальность воздействия на рабочий мате­ риал, совместимость с другими технологическими операциями, возможность автоматизации и высокая воспроизводимость. В этом плане очень перспективно использований различного рода излучений, с помощью которых можно проводить легирование, отжиг и очистку материалов, генерирование дефектов, эпитак­ сиальное наращивание слоев, экспонирование и травление.

В современном технологическом производстве одной из основных операций, определяющей минимальные размеры эле­ ментов схем, является микролитография - процесс формирова­ ния топологических рисунков в слоях диэлектриков, металлов или полупроводников. В основе процесса лежит использование свойств некоторых материалов (резистов) под влиянием ло­ кально действующего излучения или потока заряженных частиц изменять свои свойства, в первую очередь растворимость. Мнкролитографический процесс включает экспонирование резиста, нанесенного на подложку, образование защитной маски вследст­ вие его проявления, последующий перенос топологического рисунка с маски на рабочий материал, удаление маски.

Экспонирование резиста осуществляется либо коллимирован­ ным потоком излучения методами контактной или проекцион­ ной печати через шаблон, представляющий собой высокоточный негатив (позитив) с изображением топологии одного из слоев структуры полупроводникового прибора (ИС), либо сканирова­ нием определенным образом сформированного и программно управляемого потока излучения по поверхности подложки. В за­ висимости от вида излучения (световое, ультрафиолетовое, рентгеновское) или частиц (электроны, ионы), используемых для экспонирования резиста, различают фото-, рентгено-, электроно- и ионолитографию [28, 67, 73, 97]. Возможности различ­ ных методов .экспонирования будут рассмотрены ниже.

65

Разрабатываются способы формирования микротопологии рабочих слоев интегральных микросхем без резиста путем изме­ нения химической активности подвергнутых облучению, напри­ мер, ионами или излучением эксимерных лазеров, участков по­ верхности пластины.

Для изготовления СБИС с микронными и субмикронными размерами элементов наряду с традиционными могут быть при­ менены методы, основанные на самоформировашш —Получении необходимой геометрии элементов в процессе взаимодействия планарной многослойной структуры со средой (жидкими травителями или плазмой активного газа). Принцип самоформирования предполагает, что по заранее заданной программе формиру­ ется лишь конфигурация одного слоя, а на следующих этапах учитываются также все изменения, происходящие за счет случай­ ных возмущений. Методы самоформирования не универсаль­ ны и могут рассматриваться как дополнение к известным про­ цессам микролитографии [31].

Уменьшение горизонтальных размеров элементов обычно сопровождается уменьшением их вертикальных размеров до ве­ личины 0,01 .-.1 мкм, а иногда и меньшей. Для создания таких тонких слоев необходима разработка технологических процессов, протекающих с небольшой скоростью, поскольку ими легче управлять. Такими процессами являются молекулярно-лучевая эпитаксия и осаждение из газообразных металлоорганических соединений [90, 135]. Так, при молекулярно-лучевой эпитаксии скорость роста пленок составляет от десятых долей до единиц микрометров в секунду, что позволяет выращивать столь тон­ кие слои, что в них начинают проявляться волновые свойства электронов.

Эпитаксиальные слои высокой чистоты и с совершенной ре­ шеткой могут быть получены также методом осаждения из га­ зообразных Металлоорганических соединений. Метод позво­ ляет с высокой точностью регулировать уровень легирования в широком диапазоне концентрации примесей (до 1019 см-3 и более) и состав элементов, воспроизводимо выращивать пленки субмикронных толщин. Например, на подложке из арсенида ин­ дия с ориентацией <100> таким способом была выращена сверх­ решетка, состоящая из ста слоев - последовательно выращен­ ных пленок InAsSbP (13,5 нм) и InAs (20 нм) [162].

С переходом в субмикронную область геометрических раз­ меров . элементов усилилась необходимость низкотемператур­ ных процессов обработки. Высокотемпературная диффузия при легировании все чаще заменяется ионной имплантацией с лазер­ ным или электронно-лучевым отжигом (см. п. 2.7). Ионная

66

имплантация универсальна, так как позволяет вводить атомы любого элемента в любой кристалл. Точное управление профи­ лем вводимой примеси дает возможность создавать внутри ма­ териала сложные структуры с заданными электрофизическими свойствами и точно заданными размерами в трех измерениях.

Важное место в технологии изготовления интегральных микро­ схем принадлежит процессам создания диэлектрическихокислов. Современные промышленные процессы нанесения пассивирую­ щих покрытий, подэатворных диэлектриков, включая наиболее низкотемпературное пиролитическое и ионно-плазменное осажде­ ние, требуют нагрева подложки до температуры выше 300 °С, что в ряде случаев может оказаться губительным для схем с субмикронными размерами элементов. Поэтому весьма перс­ пективно развитие процессов, в которых осуществляется акти­ вация химических реакций путем облучения ультрафиолетовым светом, электронной и ионной бомбардировки, что делает воз­ можным уменьшение температуры подложки.- Например, разра­ ботано фотохимическое нанесение окисла из газовой фазы, ос­ нованное на селективном поглощении света (Х = 170...200 им); вызывающем выделение из окисла азота электрически нейтраль­ ного атомного кислорода [152]. Этот кислород взаимодействует сгазами, несущими материал, окисел которого затем осаждается на поверхность пластины. Процесс протекает при давлениях, меньших 133 Па, и температурах 50...300°С в зависимости от подложки.

Осаждение диэлектрических пленок с использованием высо­ коактивированной плазмы СВЧ электронно-циклотронного раз­ ряда осуществляется при комнатной температуре [187]. Для формирования пленок S102 и Si3N4 в плазменную камеру вво­ дят кислород или азот соответственно, а в камеру с образцами - силан. Процесс осаждения происходит в условиях интенсивной бомбардировки поверхности пластины ионами и электронами из плазмы при полном отсутствии термических реакций. С вне­ дрением низкотемпературных способов нанесения диэлектри­ ческого окисла открываются новые возможности для произ­ водства СБИС на кремнии и арсениде галлия, элементов на пе­ реходах Джозефсона;

Интенсивно развивается технология „холодной” лазерной обработки, позволяющая избежать многих нарушений в полу­ проводниковой структуре, неизбежно возникающих при обыч­ ной термообработке в печах [ 50 ]. К таким „холодным” про­ цессам обработки относятся легирование полупроводниковых материалов для создания проводимости р- и /ыипа; отжиг полу­ проводниковых материалов, подвергнутых ионной импланта-

67.

щш; удаление вредных примесей из кристалла; кристаллизация аморфной структуры и превращение мелкозернистой структу­ ры в крупнозернистую; создание неравновесных кристалличе­ ских структур, концентрация примесей в которых может значи­ тельно превышать предел растворимости в твердом растворе. Процесс „холодной” лазерной обработки практически безынер­ ционен, кратковременен и селективен, не вызывает изменения профиля примеси, не деформирует пластину, не вносит загряз­ нений в материал и не повреждает кристаллическую структуру.

Предполагается, что в ближайшем будущем „холодная” ла­ зерная обработка будет основной в производстве СБИС и даст возможность повысить выход годных при изготовлении совре­ менных БИС.

2.2. ФОТОЛИТОГРАФИЯ

Для фотолитографии может применяться излучение в диапа­ зоне длин волн X = 100.. .460 нм. Наиболее распространенной является фотолитография в области видимого и длинноволно­ вого ультрафиолетового (УФ) Излучения. Создается оборудова­ ние для работы в области средних УФ волн (X = 200...300 нм), изучается возможность использования глубокого ультрафиолета (вплоть до X = 100 нм).

При переходе к более коротковолновому излучению возника­ ет необходимость замены стеклянной оптики и стекол для фото­ шаблонов другими материалами, с меньшим коэффициентом поглощения в соответствующем диапазоне длин волн. Для сред­ них УФ-волн наиболее пригоден плавленый кварц, для вакуум­ ного ультрафиолета - MgFa, CaF2, LiF.

В практике фотолитографии в качестве резистов чаще всего применяются полимерно-мономерные системы, потенциальная разрешающая Способность которых определяется длиной их мо­ лекул (микрометр и меньше) [16]. Существует два типа фото­ резистов - негативные и позитивные. У негативных фоторезис­ тов под действием излучения растворимость экспонированных участков уменьшается, у позитивных - возрастает. Потенциаль­ ное предельное разрешение современных позитивных полимер­ ных фоторезистов составляет сотые доли микрометра, у негатив­ ных - значительно ниже, вследствие чего даже лучшие негатив­ ные составы непригодны для получения приемлемых по качеству микронных и сумбикронных изображений [100].

Большинство из широко используемых в настоящее время полимерных фоторезистов не обладает достаточной чувствитель­ ностью в области длин волн X < 300 нм, поэтому продолжитель­ ность их экспонирования достаточно велика. При использова­

68

нии вакуумного ультрафиолета одновременно спроблемой повы­ шения спектральной чувствительности возникает проблема на­ несения сплошных бездефектных резистивных слоев толщиной не более 0,1 мкм (более толстые пленки резиста не смогут быть проэкспонированы на всю толщину из-за сильного поглощения).

Наряду с полимерными материалами в микролитографии начинают использовать и неорганические резисты, например на основе халькогенидных стекол, отличающиеся высокой конт­ растностью при большой чувствительности и разрешении, состав­ ляющем доли микрометра [46]. Этим резистам свойственна стойкость в агрессивных средах, разрушающих органические ма­ териалы, и высокая температурная стабильность. Предполагает­ ся, что неорганические резисты будут основными элементами в прецизионных литографических процессах.

Одним из серьезных препятствий для создания на пластинах элементов субмикронных размеров являлась непланарность ра­ бочей поверхности (из-за связанных с ней проблем возникнове­ ния интерференционных эффектов, недостаточной глубины фоку­

са объективов и сложности нанесения бездефектных тонких слоев резиста). Это препятствие удалось устранить при использовании многослойных резистов. Поверхность пластины сперва покрыва­ ется слоем полимерного резиста толщиной 2.. .3 мкм, обеспечи­ вающим сглаживание имеющихся рельефов, а затем уже наносит­ ся тонкая резистивная пленка (0,2...0,5 мкм), в которой после экспонирования создается рисунок топологии схемы. Профиль в толстом слое может быть создан методом сухого травления или экспонированием через маску из верхнего слоя. Например, ис­ пользуя Ge—Se-jpeancT (150...200 нм), нанесенный на полимер­ ный, не содержащий серебра слой (2 мкм), на обычном оборудо­ вании для контактной литографии получали линии шириной 0,6 мкм [167]. Предполагается, что при усовершенствовании оп­ тики и источников излучения можно добиться разрешения 0,1 мкм. Разработаны резистивные системы, в которых на поли­ мерный слой наносится пленка бромистого серебра. Такие резис­ ты на порядок чувствительнее полимерных в области средних ультрафиолетовых воли.

Для целей фотолитографии хорошо зарекомендовали себя и трехслойные системы, например, типа тонкая (400 нм) пленка фоторезиста — плазменноосажденная пленка Si0 2 (100 нм) - толстый (2...3 мкм) слой фоторезиста. Два нижних слоя хоро­ шо поглощают экспонирующий свет и полностью устраняют эф­ фекты рассеяния и стоячих волн от подложки [167].

Применяемые в настоящее время фотошаблоны представляют собой ппоскопараллельные пластины из оптического стекла (для

69

ультрафиолетового излучения с Х = 200...300 нм из кварцевого стекла) толщиной в несколько миллиметров с нанесенным на не­ го маскирующим слоем. Их изготавливают оптическим (оптико­ механическим, растровым, сканирующим) или электронно-ли­ тографическим способом, способом ионного легирования [122, 131]. При переходе к излучению с X = 200... 100 нм из-за высоко­ го поглощения материалов используют шаблоны типа открытого трафарета.

Маскирующий рисунок фотошаблона должен быть непрозрач­ ным в том диапазоне длин волн, к которым чувствителен фоторе­ зист, и иметь минимально возможный коэффшдоент отражения. В качестве маскирующих слоев чаще всего используются метал­ лические (Мо, Сг) и диэлектрические (окислы металлов) плен­ ки толщиной менее 0,1 мкм.

Фотолитография осуществляется методами контактной и проекционной печати. При контактной фотолитографии фото­ шаблон совмещается с покрытой фоторезистом пластиной, затем плотно прижимается к ней, после чего производится экспониро­ вание коллимированным световым пучком. Отсутствие зазора между фотошаблоном и пластиной гарантирует получетше высо­ кой разрешающей способности и 100 %-ного контраста. Теорети­ чески этим методом можно перенести на пластину любой рису­ нок, если контакт равномерен и плотен.

В реальных условиях между пластиной и шаблоном всегда есть небольшой зазор ЛЗ Л1»из-за которого возникают дифракци­ онные эффекты, неправильно воспроизводятся размеры тополо­ гических элементов (происходит „уход размеров”) [12].

Теоретические оценки предельного разрешения контактной фотопечати, базирующиеся на теории френелевой дифракции, по­ казывают, что при нулевом зазоре и толщине фоторезиста око­ ло 0,2 мкм достаточно точно могут быть воспроизведены мини­ мальные элементы структур, размеры которых сравнимы с дли­ ной волны излучения, а при условии высокой стабильности экс­ позиции и достаточно, равномерной толщины пленки фоторезис­ та и еще меньшие (155].

На практике минимально возможная ширина линии может быть определена так:

200

где величина L мин, длина волны света X и расстояние йз п между фотошаблоном и нижней стороной резистивной пленки выраже­ ны в метрах [131,168]. Как видно из формулы, разрешающая спо­

70