1

8.травление (непосредственный перенос рисунка маски на поверхность полупроводниковой структуры)

9.удаление фоторезиста

10.финишный контроль

Рис. 1. 10 ступеней литографического процесса (случай для положительного фоторезиста)

Рассмотрим в качестве примера основные операции при избирательном травлении оксида кремния (SiO2), которое используется многократно и имеет целью создание окон под избирательное легирование, а также контактных окон.

Подготовка поверхности.

Подготовка поверхности к нанесению фотослоя заключается в еѐ обработке парами органического растворителя для растворения жировых плѐнок, которые препятствуют последующему сцеплению фоторезиста с поверхностью. Отмывка сверхчистой (деионизованой) водой удаляет следы растворителя; а также микрочастицы, способные впоследствии образовать "проколы" в тонком ( 1 мкм) слое фоторезиста.

Нанесение фотослоя.

При нанесении фотослоя используется раствор светочувствительного полимера в органическом растворителе (фоторезист). Для получения тонких слоѐв фоторезиста на поверхности пластины его вязкость должна быть очень мала, что достигается высоким содержанием растворителя (80-95% по массе). В свою очередь, с уменьшением толщины фотослоя повышается разрешающая способность фотолитографического процесса. Однако, при толщинах менее 0,5 мкм плотность дефектов ("проколов") в фотослое резко возрастает, и защитные свойства фотомаски снижаются.

Нанесение фотослоя может быть выполнено одним из двух способов: центрифугированием или распылением аэрозоля. В случае использования центрифуги дозированное количество фоторезиста подаѐтся в центр пластины, прижатой вакуумом к вращающейся платформе (центрифуге). Жидкий фоторезист растекается от центра к периферии, а центробежные силы равномерно распределяют его по поверхности пластины, сбрасывая излишки в специальный кожух. Толщина h нанесѐнной плѐнки зависит от скорости вращения платформы, и от вязкости фоторезиста по следующему соотношению:

(1)

где k - коэффициент, устанавливаемый экспериментально.

Скорость вращения центрифуги около 6000 об/мин, толщина фотослоя регулируются подбором соответствующей вязкости, т.е. содержанием растворителя.

Для центрифугирования характерны следующие недостатки:

1.Трудность получения относительно толстых (в несколько микрометров) и равномерных плѐнок из-за плохой растекаемости вязкого фоторезиста.

2.Напряжѐнное состояние нанесѐнной плѐнки, что приводит на этапе проявления к релаксации участков фотомаски и изменению их размеров.

3.Наличие краевого утолщения как следствие повышения вязкости в процессе выравнивания, что ухудшает контакт фотошаблона с фотослоем.

4.Трудность организации одновременной обработки нескольких пластин.

При распылении аэрозоли фоторезист подаѐтся из форсунки на пластины, лежащие

на столе, совершающем возвратно-поступательное движение. Необходимая толщина формируется постепенно. Отдельные мельчайшие частицы растекаются и, сливаясь, образуют сплошной слой. При следующем проходе частицы приходят на частично просохший слой, несколько растворяя его. Поэтому время обработки, которое зависит от вязкости, расхода и "факела" фоторезиста, от скорости движения стола и расстояния от форсунки до подложки, устанавливается экспериментально. При реверсировании стола крайние пластины получат большую дозу фоторезиста, чем центральные. Во избежание утолщения слоя на крайних пластинах форсунке также сообщается возвратнопоступательное вертикальное движение (синхронно с движением стола). При торможении

стола в конце хода форсунка поднимается вверх и плотность потока частиц в плоскости пластин снижается.

Распыление аэрозоли лишено недостатков центрифугирования, допускает групповую обработку пластин, но предъявляет более жѐсткие требования к чистоте (отсутствие пыли) окружающей атмосферы. Нанесение фоторезиста и последующая сушка фотослоя являются весьма ответственными операциями, в значительной степени определяющими процент выхода годных микросхем.

Пылевидные частицы из окружающего воздуха могут проникать в наносимый слой и создавать микродефекты. Нанесение фотослоя должно выполнятся в условиях высокой обеспыленности в рабочих объѐмах (боксах, скафандрах) 1 класса с соблюдением следующей нормы: в 1 литре воздуха должно содержатся не более четырѐх частиц размером не более 0,5 мкм.

При сушке нанесѐнного слоя в слое могут сохраниться пузырьки растворителя, а при выходе на поверхность слоя они могут образовать микротрещины. Поэтому сушка выполняется с помощью источников инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а, следовательно, поглощение излучения с выделением тепла происходит на границе "пластина - фоторезист". Следовательно, сушка протекает от нижних слоѐв фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности температура сушки должна быть умеренной (100÷120°С).

Перечисленные виды дефектов фотослоя (пылевидные частицы, микропузырьки и микротрещины) сохраняются в фотомаске и наследуются оксидной маской, создавая в ней микроотверстия. При использовании оксидной маски для избирательного легирования примесь будет проникать через них, образуя легированные микрообласти и, как следствие, токи утечки и пробои в p-n-переходах. Если оксидная маска представляет собой слой контактных окон, то металл, проникая в микроотверстия, может привести к паразитным связям между областями и коротким замыканиям.

Первая сушка проводится при температурах 80 - 90°С заканчивает формирование слоя фоторезиста.

Совмещение и экспонирование.

Под совмещением перед экспонированием понимается точная ориентация фотошаблона относительно пластины, при которой элементы очередного топологического слоя (на фотошаблоне) занимают положение относительно элементов предыдущего слоя (в пластине), предписанное разработчиком топологии. Например, фотошаблон, несущий рисунок эмиттерных областей должен быть точно ориентирован относительно пластины, в которой уже сформированы базовые области.

Рис. 2. Совмещение фотошаблона с пластиной: а - общая схема совмещения: 1 - групповой фотошаблон; 2 - модули для грубого совмещения; 3 - базовый срез на пластине для предварительной ориентации; 4 - групповая пластина; 5 - знак совмещения в модуле пластины; 6 - знак совмещения в модуле шаблона; б- схема для расчета номинального зазора между знаками совмещения.

Процесс совмещения включает три этапа (рис. 2,а):

1.Предварительная ориентация по базовому срезу, обеспечивающую на границах модулей групповой пластины наивыгоднейшую кристаллографическую плоскость

сточки зрения качества разделения пластины на отдельные кристаллы.

2.Предварительное грубое совмещение по границам крайних модулей, имеющее целью исключить разворот пластины и фотошаблона относительно вертикальной оси Z.

3.Точное совмещение, исключающее смещение рисунков фотошаблона и пластины по осям X и Y.

Для точного совмещения используют специальные знаки совмещения с

контролируемым зазором, которые входят в состав топологических рисунков соответствующих слоѐв. Совмещение считается выполненным, если при введении одного знака внутрь другого по всему контуру просматривается зазор.

Номинальным зазором называется равномерный по всему контуру зазор, который образуется при номинальных (проектируемых) размерах знаков и их точном совмещения (центрировании). Из рис. 2,б следует, что

(2)

где min=200/Г - предельное разрешение системы "глаз - микроскоп" (200 мкм - линейное разрешение нормального глаза; Г - кратность увеличения микроскопа); и- абсолютная предельная погрешность фиксации изображения на установке совмещения и экспонирования; ш и п- абсолютная предельная погрешность размера знака соответственно на шаблоне и пластине ( ш < п);

Таким образом, в зависимости от фактических значений случайных погрешностей, реальный зазор может колебаться в пределах от max до min, а абсолютная предельная погрешность совмещения с для контролируемого модуля групповой пластины:

(3)

Для совокупности модулей в партии групповых пластин:

(4)

где t - абсолютная предельная погрешность шага расположения модулей на групповом фотошаблоне; доб- дополнительное расширение зазора, которое может предусматриваться для снижения зрительного напряжения оператора.

Погрешность совмещения учитывается при расчѐте размеров областей каждого слоя. Обычно фотошаблон очередного слоя совмещается с предыдущим слоем, уже сформированном на пластине. В частности, слой контактных окон совмещается с эмиттерным слоем, а слой металлизации - со слоем контактных окон. Поскольку контактные окна и металлические контакты формируются одновременно для всех областей структуры, погрешность совмещения накапливается. Поэтому совершенствование процессов литографии (уменьшение ш и п) и применяемого оборудования ( и и t) является важной и постоянной задачей.

После выполнения совмещения микроскоп отводится, а на его место подводится осветитель, жѐстко связанный с микроскопом на каретке (или поворотной турели). Оператор включает осветитель одновременно с реле времени, которое контролирует время экспонирования.

Проявление.

Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов заключается в обработке фотослоя органическим растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению, растворяются, а облучѐнные участки, где при поглощении ультрафиолетового излучения происходит разрыв межатомных связей и перестройка структуры (фотополимеризация), сохраняются.

В позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению, происходит разрушение структуры (деструкция) с образованием кислоты. Для перевода еѐ в растворимые слои применяют раствор неорганического соединения со щелочными свойствами (KOH, NaOH и др).

После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120÷180°С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются еѐ защитные свойства. От характера изменения температуры во время сушки зависит точность передачи размеров изображений. Резкий нагрев вызывает оплывание краев, поэтому для точной передачи малых (1 - 2 мкм) размеров следует применять плавное или ступенчатое повышение температуры. Примерный режим сушки позитивного резиста ФП-383: 10 - 15 минут при комнатной температуре, 20 - 25 минут в термостате при 120 °С, затем переключение термостата и нагревание до 150 - 160 °С.

Травление.

Долгие годы для проведения травления использовались различные влажные химические процессы, которые имеют очень высокую селективность и с успехом используются при изготовлении микросхем с размерами микронного масштаба. Однако при травлении линий с субмикронным разрешением и одновременно с высоким отношением высоты линии к ее ширине влажные процессы перестают работать. Можно выделить следующие причины, лимитирующие применение влажных процессов.

1.Размер рисунка не может быть меньше 2 мкм.

2.Влажное травление – изотропный процесс, что приводит к формированию рисунка с наклонными стенками.

3.Влажное травление требует многоступенчатой промывки и сушки.

4.Используемые химикаты, как правило, сильноядовиты и токсичны.

5.Влажные процессы вносят дополнительные загрязнения.

Химический состав и концентрация травителя в растворе подбирается так, чтобы поверхностный слой растворялся активно, а нижележащий не растворялся.

В процессе травления имеют место отвод продуктов химической реакции от поверхности в раствор и подвод из раствора свежего травителя. В мелких элементах массообмен затруднѐн и скорость травления ниже, чем в крупных элементах. Поскольку технологическое время травления устанавливают по самому мелкому элементу, более крупные элементы получают "перетрав", т.е. большие погрешности размера. Для повышения точности травления, т.е. уменьшения разброса размеров элементов из-за растрава, необходимо динамическое воздействие травителя на обрабатываемую поверхность.

Существенное повышение точности травления достигается при использовании "сухих" методов травления, при которых разрушение слоя происходит механически за счѐт бомбардировки потоком заряженных частиц. Методы сухого травления будут рассмотрены на будущих лекциях.

Фоторезисты

Негативные резисты активируюется при поглощении энергии в результате облучения. При проявлении пленка негативного резиста разбухает, а его неэкспонированные области с низким молекулярным весом растворяется в проявителе. Этот эффект уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Как правило, минимальный разрешаемый размер элемента в три раза больше толщины пленки негативного резиста.

Позитивные резисты, поглощая энергию облучения, становится растворимым в водной среде. Различие в растворимости экспонированных и неэкспонированных участков резиста приводит к проявлению изображения в позитивном резисте. В отличие от

негативного резиста проявитель не пропитывает всю пленку и она не набухает. В результате этого разрешающая способность позитивных резистов выше, чем негативных.

Рис. 3. Сравнение резистов.

Сравнение резистов. Негативные резисты, обладая меньшей разрешающей способностью по сравнению с позитивным, имеют более высокую чувствительность (рис. 3) и их использование позволяет экспонировать большее количество пластин в час. Позитивные резисты, хотя и обладают более высокой разрешающей способностью, проявляются значительно медленнее, что приводит к уменьшению производительности и увеличению стоимости ИС. Следовательно, при определении типа используемого резиста необходимо делать выбор между разрешением и производительностью.

Изготовление фотошаблонов.

Фотошаблоны широко применяются в технологии интегральных микросхем как на стадии формирования активных элементов в полупроводниковом материале, так и при создании пассивных элементов и межсоединений.

Фотошаблон – стеклянная пластина (подложка) с нанесенным на ее поверхности маскирующим слоем – покрытием, образующим трафарет с прозрачными и непрозрачными для оптического излучения участками. В процессе фотолитографии слой фоторезиста экспонируется в соответствии с рисунком покрытия, имеющегося на фотошаблоне.

Подложку фотошаблона выполняют либо из обычного стекла (при экспонировании светом с длиной волны более 300 нм), либо из кварцевого стекла (при длине волны менее 300 нм). В качестве материала маскирующего слоя фотошаблона обычно используется хром, оксиды хрома, железа и др., образующие твердые износостойкие покрытия.

17Субтрактивные и аддитивные методы переноса рисунка.Побочные эффекты при травлении. Селективность и контроль размеров элемента.

Субтрактивные и аддитивные методы переноса рисунка

Субтрактивный метод переноса рисунка заключается в осаждении пленки, литографическом покрытии ее маскирующим слоем с рисунком и удалении травлением немаскированных участков пленки. При аддитивном методе, или методе взрывного удаления, вначале на подложку наносится литографическая маска, затем на маску и на незащищенные ею участки подложки осаждается пленка, после чего участки пленки, покрывающие маску, удаляются путем селективного растворения маскирующего слоя в подходящем жидком растворителе, так что пленка, покрывающая маску, может быть поднята и удалена с поверхности подложки.

Применение субтрактивных методов является предпочтительным для современной технологии СБИС способом переноса рисунка. Аддитивные методы способны обеспечить высокое разрешение, но используются редко.

Побочные эффекты

Травление в реактивных плазменных разрядах сопровождается побочными эффектами, главным образом нежелательными. Рассмотрим наиболее важные из этих эффектов.

1. Осаждение полимеров

Например, при травлении радикалами CF3 происходит образование фторуглеродных фрагментов, которые могут осаждаться на поверхности подвергаемого травлению материала, приводя к нежелательному замедлению процесса травления. С другой стороны, если осаждение полимерных пленок можно производить избирательно: только на маске или подложке, то повышается селективность травления.

Осаждение полимерных пленок на внутренних поверхностях реактора вызывает загрязнение подложки атмосферными примесями, в частности водяным паром, и высвобождение газообразных посторонних примесей в процессе последующего плазменного травления. Например, при травлении с использованием окисляющей плазмы в реакторе, внутренние поверхности которого покрыты фторуглеродной пленкой, высвобождается значительное количество атомов Р.

2. Радиационные повреждения

Разнообразные частицы высокой энергии (ионы, электроны и фотоны), присутствующие в плазме, создают потенциально опасную среду для изготавливаемых СБИС. Подзатворный диэлектрик и граница раздела Si-SiO2 особенно подвержены радиационным повреждениям в результате облучения этими частицами.

В реальных условиях изготовления МОП-схем чувствительная к облучению область подзатворного окисла защищена металлизацией затвора в процессе травления. Подавляющее большинство частиц не обладает достаточно высокой энергией для прохождения через слой электрода затвора, поэтому радиационные повреждения сконцентрированы по периметру электрода. Кроме того, технологический процесс обычно включает последующие высокотемпературные операции, во время которых радиационные дефекты отжигаются.

Основная проблема, связанная с радиационными повреждениями, возникает при образовании нейтральных ловушек после формирования алюминиевой металлизации, когда дальнейший высокотемпературный отжиг исключен.

3. Примесные загрязнения

Все внутренние поверхности системы реактивного травления подвержены ионной бомбардировке и могут распыляться. Если не обеспечивать правильный выбор материала реактора и контроль ускоряющего напряжения, распыленный материал может осаждаться на подложке и загрязнять подвергаемую травлению микросхему. Загрязнение атомами тяжелых металлов, резко уменьшающими время жизни неосновных носителей, часто наблюдалось в реакторах, изготовленных из нержавеющей стали.

Селективность и контроль размеров элементов

На практике, в особенности при использовании методов сухого травления подложка и маска также подвергаются воздействию травителя. Чаще всего материалы, контактирующие с травителем, характеризуются конечными значениями скорости травления. Следовательно, важным параметром переноса изображений в технологии СБИС является селективность (избирательность) травления, определяемая как отношение скоростей травления различных материалов.

Селективность по отношению к материалу резиста необходимо учитывать при контроле формируемых элементов. Селективность по отношению к материалу подложки определяет качество и процент выхода годных приборов.

Селективность по отношению к материалу подложки зависит от однородности скорости травления как пленки, так и маски, однородности толщины пленки, степени перетравливания, профиля края элемента маски, анизотропии скорости травления маски и максимального допустимого ухода размеров вытравливаемого элемента.

18 Оптическая литография. Контактная, бесконтактная, проекционная

печать. Литография с экстремальным ультрафиолетом.

Оптическая литография

Основными методами оптического экспонирования являются контактный, бесконтактный и проекционный.

Контактная печать. При контактной печати (рис. 4) пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном. Пластина установлена на вакуумном держателе, который поднимает ее до тех пор, пока пластина и шаблон не придут в соприкосновение друг с другом. Прикладываемое при этом усилие составляет несколько килограммов. Для того чтобы провести совмещение топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, вытравленным в кремнии топологическим рисунком, шаблон и пластину разводят на 25 мкм, а пару объективов с сильным увеличением помещают сзади шаблона для одновременного наблюдения рисунков шаблона и пластины из двух точек. Объективы принадлежат микроскопу с разведенным полем зрения, так что правый глаз видит точку на правой стороне шаблона и пластины, а левый - точку слева. Шаблон и пластину совмещают механическим перемещением и вращением вакуумного держателя до совпадения топологических рисунков шаблона и пластины.

Рис. 4. Контактная печать: 1- источник света 2- оптическая система 3- шаблон 4- фоторезист 5- кремниевая пластина

В этом положении пластина приводится в соприкосновение с шаблоном и проводится еще одна проверка на точность совмещения. При экспонировании микроскоп автоматически отводится и коллимированный луч ультрафиолетового (УФ) облучения освещает весь шаблон в течение определенного времени экспонирования. Интенсивность экспонирования на поверхность пластины, умноженная на время экспонирования, дает энергию экспонирования или дозу облучения, получаемого резистом.

Разрешение при контактной литографии. Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати достигаются очень высокие значения разрешения. В пленке позитивного резиста толщиной 0,5 мкм достаточно легко можно воспроизвести элементы схемы размером 1 мкм.

Проблемы, возникающие при контактной печати, связаны с наличием загрязнений на поверхности кремниевой пластины. Кремниевая пылинка на пластине может привести к повреждению поверхности шаблона в момент его соприкосновения с пластиной. Поврежденный участок шаблона затем воспроизводится как дефектный топологический рисунок на всех других пластинах, при экспонировании которых использован этот шаблон. Каждая пластина добавляет свои собственные повреждения поверхности шаблона.

Если при изготовлении ИС не обеспечивается необходимая чистота процесса и окружающей среды, то лишь несколько кристаллов ИС не будут иметь дефектов. Для обеспечения высокого выхода годных кристаллов СБИС плотность дефектов (число дефектов на 1 см2) должна быть меньше 1 для каждого процесса литографического переноса.

Метод бесконтактного экспонирования (рис. 5) схож с методом контактной печати, за исключением того, что во время экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор шириной 10-25 мкм. Этот зазор уменьшает (но не устраняет) возможность повреждения поверхности шаблона.

Рис. 5. Бесконтактная печать: 1- источник света; 2- оптическая система; 3- шаблон; 4- фоторезист; 5- кремниевая пластина; 6-зазор

При отсутствии физического контакта между шаблоном и пластиной перенос изображения осуществляется в дифракционной области Френеля, разрешение в которой пропорционально квадратному корню из произведения *g, где - длина волны экспонирующего излучения, g - ширина зазора между шаблоном и пластиной. При бесконтактной печати величина разрешения составляет 2-4 мкм.

Третий метод экспонирования - проекционная печать (рис. 6) позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую резистом пластинку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона. Для достижения высокого разрешения отображается только небольшая часть рисунка шаблона. Это небольшая отражаемая область сканируется или перемещается по поверхности пластины. В сканирующих проекционных устройствах печати шаблон и пластина синхронно перемещаются. С помощью этого метода достигается разрешение порядка 1,5 мкм ширины линий и расстояния между ними.