книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

пленки, однако он очень критичен к подбору скорости газа-носителя,

зоны постоянной температуры печи, а увеличение этой зоны за счет большей скорости потока вновь приводит к неравномерности пле­ нок по толщине из-за появления завихрений у держателя с пласти­ нами.

лиз. Система для вакуумного пиролиза аналогична рассмотренной выше, с той разницей, что реакционная камера откачивается, а па­ ры силана в контролируемой остаточной атмосфере подаются в си­ стему через натекатель. При этом пары равномерно распределяются по всему объему реакционной камеры и дают равномерное осаждение в зоне постоянной температуры. Трудность метода состоит в создании контролируемой атмосферы в откачиваемом объеме. Появление неконтролируемых загрязнений резко ухудшает качество получа­ емых по этому методу пленок.

Наибольшее распространение в планарной технологии на крем­ нии получил метод термического окисления, при котором окисные пленки получают отжигом подложки в окислительной атмосфере. Термическое окисление выгодно отличается от других методов тех­ нологичностью получения высококачественных пленок. Термиче­ ские пленки исключительно равномерны по толщине, совершенны по структуре и обладают высокими диэлектрическими свойствами. Оп­ ределенное удобство в применении планарной технологии на крем­ нии заключается в возможности сочетать термическое окисление с процессом перераспределения примеси (вторая стадия диффузии),

поскольку оба эти процесса в большинстве случаев могут осу­ ществляться при одной и той же

1,0 г температуре, выбранной с уче­ том требований к диффузионным слоям.

20

Особенность примене­ ния окисления в процессе перераспределения приме­ си состоит в том, что по­ лучение диффузионного слоя с нужными парамет­ рами во многом определяет температурно-врем е н н о й

режим этого процесса и затрудняет варьирование параметров окисного слоя. Чтобы получить окисел нужной толщины и достаточ­ ной плотности, применяют изменяющуюся окислительную среду, используя чаще всего последовательно атмосферу водяного пара и сухого кислорода. Рассмотрим окисление в этих средах.

Окисление в атмосфере водяного пара представляет собой хи­ мическую реакцию между поверхностными атомами кремния и моле­ кулами воды, находящимися в междуузлиях уже образовавшегося окисла. Скорость этой реакции определяется как количеством мо­ лекул воды у границы кремний — окисел, так и скоростью про­ никновения их через окись кремния путем диффузии. Окисление в парах воды при температурах выше 1100° С определяется коэффици­ ентом диффузии воды через окисел и подчиняется параболическому закону [1]. Толщина получаемого при этом окисла зависит от темпе­ ратуры и времени окисления (рис. 1.5).

На практике редко проводят окисление в чистом водяном паре. Обычно в реакционную камеру подается увлажненный газ-носитель, что вносит зависимость скорости окисления от степени увлажнения или температуры испарителя. Кроме того, заметное влияние на ско­ рость окисления оказывает наличие примесей в окисляемом крем­ нии, кристаллографическая ориентация поверхности пластин, со­ став газа-носителя и некоторые другие факторы. В связи с этим в каждом конкретном случае для определения зависимости толщины получаемого окисла от конкретных условий процесса полезно предварительно построить свою градуировочную кривую.

Окисление в сухом кислороде отличается тем, что сквозь ра­ стущую пленку окисла диффундирует не вода, а ионы кислорода. Вследствие меньшего коэффициента диффузии кислорода скорость образования окисла в этом случае гораздо ниже, чем в случае окис­ ления в парах воды. На рис. 1.6 показана зависимость толщины окисла, выращенного в атмосфере сухого кислорода, от режимов окисления.

Применяемое в планарной технологии чередование сухого и «влажного» окисления обычно реализуется с помощью специаль­ ных приспособлений, позволяющих включать в поток кислорода

21

кремния является хорошей диэлектрической защитой поверхности для кремниевых планарных приборов.

Большое значение для планарных приборов имеет структур­ ное совершенство окисной пленки. Многочисленные дефекты, воз­ никающие в пленке окисла как в процессе се получения, так и на последующих операциях технологического цикла, могут свести на нет достоинства планарной технологии.

Структурные дефекты на уровне молекулярного строения окис­ ных пленок представляют собой кислородные вакансии, а также локальные внедрения атомов примеси. На практике гораздо боль­ шую роль играют макродефекты в виде нарушений однородности пленки, кристаллических участков стекла, локальных неоднородностей пленки, вызванных различными загрязнениями, и другие дефекты. Наличие макродефектов не только приводит к значитель­ ному ухудшению параметров планарных приборов, но и практи­ чески определяет выход годных планарных структур.

Основной причиной возникновения макродефектов являются случайные локальные загрязнения, вносимые как в процессе полу­ чения окисла, так и в процессе его последующей обработки.

Микродефекты в виде кислородных вакансий и внедренных ионов примесей (преимущественно натрия) обусловливают довольно высокий положительный заряд окисла—порядка 10~8 -ЬІ0~7 Кл/см2 . Наличие положительного заряда способствует образованию либо инверсионного слоя на кремнии р-типа, либо обогащенного я-слоя на кремнии n-типа, что приводит к ухудшению многих электриче­ ских параметров планарных транзисторов.

Стремлением свести к минимуму плотность структурных де­ фектов и объясняются повышенные требования к чистоте процессов в планарной технологии. Эти требования применительно к процессу окисления сводятся к следующему, на первый взгляд простому ус­ ловию: окисляемые пластины, реакционная камера с вводимыми в

нее приспособлениями для загрузки и фиксации пластин, а также окисляющая среда не должны содержать или вносить в процессе окисления неконтролируемых загрязнений. Однако для выполнения

растворами кислот и органических растворителей. Существует нес­ колько различных вариантов отмывок с более или менее сложным технологическим циклом. Лучшим из них, на наш взгляд, является тот, который содержит минимум операций, поскольку сами реакти­ вы в процессе отмывки не являются идеально чистыми и могут внес­ ти неконтролируемые загрязнения. Гораздо выгоднее, учитывая это, проводить операции подготовки кремниевых пластин в строго конт­ ролируемых условиях, с тем, чтобы на операциях химической обра­ ботки пластин удалять загрязнения минимальным числом реагентов. Большое значение имеет финишная отмывка перед окислением. Пос-

23

ле Toto, как с помощью химической обработки с пластин удалены загрязнения, связанные с шлифовкой и полировкой, или загрязне­ ния, попавшие во время хранения пластин с эпитаксиальной струк­ турой, необходимо удалить остатки химических реактивов тщатель­ ной промывкой в высокоомной деионизированной воде, высушить пластины на центрифуге и немедленно поместить в контролируемую обеспыленную среду (осушенный воздух или азот).

Так же тщательно обрабатываются и кварцевые детали системы, периодически промывается магистраль и все детали (лодочки, кас­ сеты, загрузочные приспособления), которые имеют контакт с окис­ ляемыми пластинами или окисляющей средой.

Кислород и увлажняющая вода также специально очищаются. Кислород получают испарением из жидкого кислорода и по возмож­ ности фильтруют через специальный фильтр, задерживающий твер­ дые частицы размером более 0,5 мкм. Увлажняющую воду сначала очищают от металлических ионов, а затем дважды перегоняют в несодержащей натрия кварцевой посуде. Вода заливается в увлаж­ нитель непосредственно перед процессом окисления.

содержащих щелочных загрязнений. Обычно это кварц, фторопласт, винипласт и др. Далее, стараются исключить попадание на пласти­ ны кремния щелочных ионов из футеровки печи в высокотемператур­ ных частях установки. Для этого нитридируют кварцевые трубы, применяют трубу с двойными стенками и потоком газа между ними, выбирают специальные материалы для футеровки. С этой же целью используют держатели пластин из прозрачного кварца и по возмож­ ности их нитридируют. Иногда применяют кремниевые кассеты в качестве держателей пластин. Держатели пластин хранят обычно в трубе окисления, поддерживая небольшой поток чистого кислоро­ да, а непосредственно перед процессом окисления их отжигают в те­ чение определенного времени, помещая в рабочую зону печи.

Для уменьшения вероятности возникновения макродефектов загрузку осуществляют через специальные боксы с ламинарным по­ током обеспыленного воздуха, исключающим попадание загрязне­ ний из внешней среды.

1.4. Создание рельефа в окисной маске с помощью фотолитографических операций

Фотолитография—процесс, позволяющий создать окисную мас­ ку (или другой рельеф) нужной конфигурации с помощью локаль» ного травления в условиях защиты специальными светочувствитель­ ными органическими веществами, называемыми фоторезистами. В основу фотолитографии положено свойство некоторых классов ор­ ганических веществ изменять свою структуру под действием излуче-

24

ния (света). Фотолитографический процесс предполагает нанесение фоторезиста на поверхность подложки, экспонирование светочув­ ствительного слоя через маску нужной конфигурации (фотошаб­ лон), проявление защитного слоя фоторезиста и травление образца.

Кроме светочувствительности, фоторезист должен отвечать це­ лому ряду других требований, таких, как хорошие пленкообразование и адгезия при нанесении, высокая разрешающая способность, достаточная кислотостойкость, способность к обработке в составах, не изменяющих свойств подложки, и т. д. В связи с этим для фото­ литографии на окисленном кремнии, вследствие большой «агрессив­ ности» травителей окисла и одновременно высоких требований к разрешающей способности и светочувствительности, пригодными яв­ ляются лишь две группы фоторезистов [2].

К первой группе относятся негативные фоторезисты на основе циннаматов. Негативные фоторезисты представляют собой линейные полимеры, сшивающиеся под действием ультрафиолетового излуче­ ния в трехмерную структуру, нерастворимую в обычных растворите­ лях. Примерами могут служить отечественный фоторезист — поливинилциннамат и фоторезисты американской фирмы Kodak. Эти фо­ торезисты имеют разрешающую способность более 500 линий на мил­ лиметр, чувствительны к ультрафиолетовой части спектра и в слоях толщиной в несколько десятых микрона удовлетворительно обеспе­ чивают локальное травление окисных пленок кремния в специаль­ ных буферных травителях.

Другая группа фоторезистов — позитивные фоторезисты на ос­ нове диазосоединений — под действием света приобретают способ­ ность растворяться в слабых растворах щелочей. Таковы отечествен­ ные резисты на основе нафтохинондиазидов и американские резисты типа AZ. Эти резисты имеют разрешающую способность порядка 1000—2000 линий на миллиметр даже в сравнительно толстых (до нескольких микрон) слоях, кроме того, они значительно более кон­ трастны и кислотостойки. Существует также еще ряд светочувстви­ тельных составов, отличающихся теми или иными свойствами, одна­ ко они, как правило, не отвечают в полной мере описанным выше тре­ бованиям и в полупроводниковой технологии не применяются.

Перейдем к характеристике основных технологических операций фотолитографического процесса.

Нанесение фоторезиста — первая операция фотолитографичес­ кого цикла — имеет своей целью получить равномерную сплошную пленку фоторезиста нужной толщины с хорошей адгезией к подлож­ ке. Немаловажную роль для получения высококачественного рель­ ефа играет состояние поверхности подложки. Поэтому окисленные пластины кремния поступают на операцию нанесения фоторезиста либо непосредственно после окисления, либо проходят специальную обработку поверхности. Из известных многочисленных способов на­ несения фоторезистов на поверхность кремниевых пластин наиболее распространенным являются нанесение с помощью центрифуги и на­ несение пульверизацией.

25

В планарной технологии кремниевых транзисторов в большин­ стве случаев применяют нанесение центрифугированием, для чего пластину помещают на столик центрифуги, покрывают раствором фоторезиста и вращают со скоростью нескольких тысяч об/мин до высыхания наносимой пленки. Основным параметром пленки фо­ торезиста при нанесении является ее толщина. Исследования пока­ зали, что толщина слоя фоторезиста при прочих равных условиях практически линейно зависит от концентрации раствора фоторезис­ та. Для каждой концентрации и, следовательно, вязкости раствора фоторезиста существует определенная минимальная скорость вра­ щения столика центрифуги; центрифугирование с большей скорос­ тью позволяет получить при нанесении равномерные пленки с вос­ производимостью по толщине не хуже 10%.

Однородность нанесенной пленки, являющаяся безусловным требованием при нанесении, обеспечивается чистотой процессов фор­ мирования светочувствительного слоя. Тщательность очистки рас­ твора фоторезиста, незагрязненная поверхность пластин, специаль­ ное оборудование для нанесения, препятствующее попаданию за­ грязнений из окружающей атмосферы — все это представляет собой условия получения качественного светочувствительного слоя.

Заключительной операцией формирования светочувствитель­ ного слоя является термообработка, которая проводится для улуч­ шения воспроизводимости светочувствительных свойств фоторезистивного слоя. Во время термообработки удаляется остаточный рас­ творитель, находящийся в пленке фоторезиста, что необходимо для придания светочувствительному слою определенной стойкости к механическому воздействию при контактировании с фотошаблоном во время совмещения и экспонирования. Режим термообработки (обычно температура +(80 —120)° С, время 10—30 мин) уточняется опытным путем для каждого конкретного случая, поскольку термо­ обработка зависит как от состава фоторезиста и толщины пленки пос­ ле нанесения, так и от вида оборудования (термостат, сушильная камера), приспособлений (материал и конструкция кассеты для плас­ тин) и. т. д.

После термообработки готовый к экспонированию светочувстви­ тельный слой передается на операцию совмещения и экспонирования.

В технологическом цикле изготовления транзистора последова­ тельно проводят не менее трех фотолитографических обработок, первая из которых образует произвольно расположенный рисунок защитного рельефа, в то время как последующие должны обеспечить строго определенную ориентацию рисунка защитного рельефа, на­ зываемую совмещением. Операция совмещения проводится на специ­ альном оборудовании, позволяющем «вписать» последовательно кон­

?6

определения оптимальной экспозиции является метод характе­ ристических кривых, описанный в [2]. Существует два вида или метода экспонирования пластин — контактный и проекционный.

Наибольшее распространение в настоящее время получил кон­ тактный метод (рис. 1.8, а), при котором фотошаблон с контрастным рисунком накладывается на пластину со светочувствительным сло­ ем, плотно прижимается к ней и затем происходит экспонирование под источником света определенной длины волны. Метод прост, но имеет серьезные недостатки.

Прежде всего, контакт шаблона со светочувствительным слоем нарушает структуру слоя, приводит к появлению искажений и об­ разованию механических дефектов. В процессе работы шаблон из­ нашивается и процент дефектных структур возрастает. В связи с этим необходимы либо специальные износоустойчивые шаблоны, либо большое количество исходных фотоэмульсионных. В первом случае, когда с эмульсионного оригинала изготовляют износоустойчивые копии, процент брака увеличивается, поскольку в процессе изго­ товления копии появляются дополнительные дефекты. Эмульсион­ ные же шаблоны дороги и при низкой стойкости (не более 10 совме­ щений) применение их не оправдано экономически.

Метод проекционного экспонирования более перспективен. Фотолитография, использующая этот метод, получила название про­ екционной. В этом процессе рисунок фотошаблона проектируется оптической системой на поверхность светочувствительного слоя и экспонирование происходит без непосредственного контакта пла­ стины с фотошаблоном (рис. 1.8, б). Проекционная фотолитография лишена недостатков, присущих контактному методу, однако ее реа­

27

с помощью специальных растворов удаляются определенные участки светочувствительного слоя. Для негативных фоторезистов про­ явителем могут служить органические растворители (толуол, трихлорэтилен и др.), позитивные фоторезисты проявляют в щелочных средах (раствор тринатрийфосфата в воде).

Фоторезисты проявляют в специальных ваннах, в которые по­ гружаются кассеты с пластинами. После проявления их тщательно промывают. Остатки проявляющих растворов сбрасываются с по­ верхности пластин с помощью центрифуги. Проявление в ваннах на­ иболее просто технологически, однако существует опасность образо­ вания пленки фоторезиста на проявляемых участках вследствие того, что проявитель, содержащий растворенный светочувствительный слой, может служить источником для нанесения при неполном уда­ лении его с поверхности пластин.

В связи с этим используют два других способа проявления. Пер­ вый из них применим для негативных фоторезистов. Согласно этому способу проявление ведется в насыщающих парах органических растворителей. Конденсируясь на пластине, проявитель растворяет незасвечеиные участки фоторезистивной пленки и стекает с верти­ кально располагаемых пластин (рис. 1.9). Второй способ, получив­ ший распространение для позитивных фоторезистов, — проявление пульверизацией. Проявитель разбрызгивается пульверизатором на вертикально расположенные пластины и, вымывая экспонированные участки, стекает и удаляется. При групповой обработке пластины располагают на вращающейся кассете (рис. 1.10), на которой затем производится промывка пластин и их сушка центрифугированием с большой скоростью.

Наконец, заключительной операцией формирования защитного рельефа является термообработка, называемая иногда «задубливанием» фоторезиста. Ее цель — улучшить кислотоустойчивость слоя уплотнением его структуры при высокой (порядка 200° С) температу-

28

pé. При такой температуре не только полностью удаляются остатки растворителя, но и происходят структурные изменения в слое, увеличивается адгезия защитного рельефа. Цикл термообработки длится от 20 мин для негативных фоторезистов до 60—90 мин для толстых слоев фоторезиста на основе нафтохинондиазида, требую­ щих постепенного нагрева до +200° С.

Передача изображения на подложку производится с помощью локального травления в условиях защиты фоторезистом. Процесс травления — одна из наиболее ответственных операций фотолитогра­ фического цикла. Подбор оптимальных условий травления во многом определяет успех фотолитографического процесса в целом. Объясня­ ется это тем, что требования кислотоустойчивости фоторезистивной пленки и разрешающей способности слоя фоторезиста, опреде­ ляющей точность и воспроизводимость создания рисунка с малыми размерами элементов, противоречивы. Иллюстрацией этого явля­ ется тот факт, что, несмотря на сравнительную простоту получения защитного рельефа с размерами элементов около 5 мкм, окись крем­ ния не удавалось протравить в водном растворе плавиковой кислоты из-за сильного растравливания. С применением же буферных травителей, содержащих фтористый аммоний, эта задача была успешно решена.

Окисные пленки кремния, независимо от типа применяемого фо­ торезиста, травят в составах HF — NH4 F — Н 2 0 . Время травления зависит от толщины и состава окисла и определяется эксперимен­ тально для каждого типа окисла.

Тщательно отмытые от остатков травления пластины передаются на заключительную операцию фотолитографического цикла — сня­ тие слоя фоторезиста, которое осуществляется в реактивах, не изменяющих свойств подложки. Для кремния, покрытого пленкой окисла, для снятия фоторезиста обычно применяют концентрирован­ ную серную кислоту, подогретую до 200° С. В этих условиях фоторе­ зисты (как негативные, так и позитивные) разлагаются, и их ос­ татки удаляются тщательной последующей промывкой в деионизованной воде.

Там, где обработка в серной кислоте изменяет свойства подлож­ ки (например, при фотолитографии по напыленному алюминию), применяют снятие фоторезиста в органических растворителях с по­ следующей промывкой. Существуют также методы, в которых сня­ тие фоторезиста производят в плазме.

Для создания окисной маски любой конфигурации требуется, таким образом, проделать большое количество описанных выше опе­ раций. Следует отметить, что почти все эти операции могут быть лег­ ко автоматизированы, поскольку стабильные режимы фотолитогра­ фии обеспечивают хорошую воспроизводимость результатов. При автоматизации фотолитографических операций применяют кассет­ ный метод обработки пластин, позволяющий вести ряд операций (на­ пример, проявление, травление, снятие фоторезиста и т. д.) одновре­ менно для большого количества пластин. Наиболее трудно автома-

29