Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Т.И.Данилина, К.И.Смирнова Процессы микро- и нанотехнологии Учебное пособие Томск 2004 2 СОДЕРЖАНИЕ 1. Введение ……………………………………………………. 2. Получение рисунка интегральных микросхем .……………… 2.1. Фотолитография .………………………………………. 2.2. Способы экспонирования ……………………………… 2.3. Фотошаблоны и технология их получения …………….. 2.4. Оптические эффекты при фотолитографии ……………. 2.5. Методы и технология формирования рисунка тонкопле- ночных элементов ………………………………….. 3. Перспективные методы литографии …………………………… 3.1. Электронно-лучевая литография………………………….. 3.2. Рентгеновская литография ……………………………….. 3.3. Ионная литография ……………………………………….. 4. Технологические основы пленочной микроэлектроники ……. 4.1. Термическое испарение в вакууме …………………….. 4.1.1. Вакуумные напылительные установки ………….. 4.1.2. Формирование молекулярного потока ………….. 4.1.3. Испарение вещества ……………………….……. 4.1.4. Скорость конденсации ………………………….. 4.1.5. Механизм испарения соединений и сплавов …….. 4.1.6. Степень загрязнения пленок при конденсации .….. 4.1.7. Способы испарения……………………………… 4.1.8. Практические рекомендации…………………….. 4.2. Ионно-плазменное распыление ………………………… 4.2.1. Физика ионного распыления ……………………. 4.2.2. Модель ионного распыления ……………………. 4.2.3. Теории ионного распыления ……………………. 4.2.4. Скорость осаждения пленок …………………….. 4.2.5. Получение пленок ионно-плазменным распылением …..………….……………….. …… 5. Элементы тонкопленочных ИМС ……………………… 5.1. Подложки пленочных ИМС …………………….…….. 5.1.1. Материалы подложек …………………………… 5.1.2. Свойства подложечных материалов …………….. 5.1.3. Очистка подложек ………………………………. 5.2. Тонкопленочные резисторы ……………………………. 5.2.1. Выбор материалов ………………………………. 5.2.2. Технологические погрешности резисторов ……… 5.3. Тонкопленочные конденсаторы ……………………….. 5.3.1. Параметры тонкопленочных конденсаторов ….…. 5.3.2. Диэлектрические материалы …………………….. 5 6 6 13 16 27 32 37 37 43 46 49 49 49 50 51 54 58 62 64 71 73 73 77 83 89 90 94 94 94 96 99 101 101 104 107 107 110 3 5.3.3. Выбор материала обкладок ………………………. 5.4. Тонкопленочные индуктивности …………………..….. 5.5. Проводники и контактные площадки ………………….. 6. Типовые технологические процессы изготовления тонкопле- ночных ИМС ………………………………….……………. 7. Конструктивно-технологические особенности и элементы по- лупроводниковых ИМС …………………………….……. 7.1. Структуры элементов полупроводниковых ИМС …….... 7.2. Выбор материала подложек полупроводниковых ИМС … 7.3. Технологические особенности изготовления полупро- водниковых ИМС ……………………….…………….. 8. Легирование полупроводников ……………………………… 8.1. Легирование полупроводников диффузией ……...…….. 8.2. Расчет режимов диффузии ………………………..…... 8.3. Расчет профилей распределения примесей при диффузии………………………………..….……….… 8.4. Технология получения диффузионных n p - переходов………………………………..………...…. 8.5. Контроль параметров диффузионных слоев ………….… 8.6. Технологические погрешности диффузионных элементов………………………………………..…….. 9. Ионное легирование полупроводников ……………………….. 9.1. Технологические особенности ионного легирования …… 9.2. Расчет пробегов ионов в твердых телах …………………. 9.3. Распределение внедренной примеси по глубине ……….. 9.4. Радиационные дефекты при имплантации ………………. 9.5. Легирующие свойства имплантированных примесей в ар- сениде галлия ……………………………………………. 9.5.1. Формирование ионно-легированных слоев в арсе- ниде галлия …………………………………………. 9.5.2. Влияние радиационных дефектов на электриче- ские свойства арсенида галлия ……………………. 9.6. Области применения ионного легирования ………………. 10. Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев хи- мическим осаждением из газовой фазы ……………………….. 11. Технология получения диэлектрических пленок…………….. 11.1. Диэлектрические слои для полупроводниковых ИМС…. 11.2. Термическое окисление кремния………………………. 11.3. Химическое осаждение диэлектрических пленок … …… 12. Металлизация полупроводниковых структур……..…………. 13. Типовые технологические процессы изготовления полупро- 111 112 114 117 127 127 125 131 133 133 133 141 151 155 157 160 164 164 168 172 179 183 183 189 193 195 214 214 215 229 230 4 водниковых ИМС ………………………….………………… 13.1. Классификация процессов ………………………….…. 13.2. Изготовление биполярных ИМС с изоляцией n p - переходом …………………………………………..… 13.3. Изготовление биполярных ИМС с диэлектрической изоляцией …………………………………………….. 13.4. Изготовление биполярных ИМС с комбинированной изоляцией ……………………………………………… 13.5. Изготовление МДП ИС ………………………………… Заключение …………………………………………………. Литература ………………………………………………….. 233 233 237 243 244 247 254 256 5 1. ВВЕДЕНИЕ Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется широким применением интегральных микросхем (ИМС) во всех ра- диотехнических схемах и аппаратуре. Это связано со значительным усложнением требований и задач, решаемых радиоэлектронной аппа- ратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Отсюда особо важное значение приобретают проблемы повышения надежности ап- паратуры и ее элементов. Качество и надежность элементной базы интегральных микро- схем во многом определяются технологией их изготовления. При тех- нологическом проектировании синтезируется оптимальная структура технологического процесса обработки и сборки, позволяющая макси- мально использовать отработанные типовые процессы и обеспечивать высокую воспроизводимость, минимальные трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований. Вследствие сложности и мно- гостадийности технология ИМС выделилась в самостоятельную науч- ную дисциплину. Она предполагает совокупность технологических процессов изготовления, контрольно-измерительных операций, а так- же физических, химических и механических испытаний, осуществляе- мых с исходными материалами и полуфабрикатами или отдельными электронными элементами для получения ИМС, как законченных из- делий, обладающих заданными параметрами. На современном этапе развития микроэлектроники используются два основных вида интегральных микросхем: 1) пленочные интегральные микросхемы; 2) полупроводниковые интегральные микросхемы. Пленочные ИМС создаются на диэлектрической подложке путем послойного нанесения пленок различных материалов с одновремен- ным формированием из них микроэлементов и их соединений. Полупроводниковые ИМС создаются путем локального воздейст- вия на микроучастки полупроводникового кристалла и придания им свойств, соответствующих функциям микроэлементов и их соедине- ний. 6 Фотолитография'>2. ПОЛУЧЕНИЕ РИСУНКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРО- СХЕМ 2.1. Фотолитография Получение рельефа требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводнико- вых или диэлектрических подложек, является неотъемлемым процес- сом технологии изготовления интегральных схем (ИС). Он получил название литографии. Литография основана на использовании особых высокомолекулярных соединений - резистов, обладающих способно- стью изменять свои свойства под действием различного рода излуче- ний - ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентге- нолитография), потока электронов (электронолитография) и ионов (ионно-лучевая литография). Фотолитография состоит в следующем. Чувствительные к свету соединения фоторезисты (ФР) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию излучения (экспонируются). Использова- ние специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными полями фотошаблона (ФШ) приводит к локальному воздействию из- лучения на ФР и, следовательно, к локальному изменению его свойств. При последующем воздействии определенных химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки ФР, освещенных или неосвещенных в зависимости от типа ФР (проявление). Создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона. Ре- зисты могут быть как негативными, так и позитивными. После воздей- ствия экспонирующего облучения растворимость негативных резистов в проявителе уменьшается, а позитивных увеличивается (рис.2.1). Фоторезисты - это светочувствительные материалы с изменяю- щейся под действием света растворимостью. Фоторезисты обычно со- стоят из трех компонентов: - светочувствительных веществ; - пленкообразующих веществ; - растворителей. В негативных ФР под действием света протекает реакция фото- присоединения (фотополимеризации). При фотополимеризации про- исходит поперечная сшивка молекул полимера, в результате чего они укрупняются, становятся трехмерными, и их химическая стойкость возрастает. В негативных ФР на основе поливинилциннаматов (ПВЦ) полимерной основой является эфир поливинилового спирта, с молеку- 7 Негативный Слой фоторезиста Позитивный Излучение Сшитые области Шаблон Разрушенные области Рельеф после проявления 1 2 3 a) б) Рис.2.1. Схемы процесса фотолитографии с негативным (а) и позитивным (б) фоторезистами. лами которого связана коричная кислота, представляющая собой све- точувствительный компонент (циннамоильная группа). В структуре коричной кислоты имеются группы с относительно малой энергией связи H D . При воздействии света с энергией кванта H h D ³ u проис- ходит разрыв связей между молекулами ПВЦ. В результате исходные молекулярные цепочки ПВЦ образуют трехмерную структуру. Интен- сивное поглощение света фоторезистом на основе ПВЦ, приводящее к образованию трехмерной структуры, начинается с длины волны l менее 320 нм. Граница поглощения сдвигается в сторону более длин- ных волн (360-410) нм при добавлении сенсибилизатора. Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислото- стойкость, но они не выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кислоты. Повышенной кислотостойкостью обладают нега- тивные ФР на основе каучуков с различными добавками. Каучуки не являются светочувствительными веществами, поэтому в состав ФР вводят светочувствительные диазосоединения. Под действием света молекула диазосоединения разлагается с потерей молекулы азота, об- разуя новые вещества - нитрены, которые вступают в реакцию с мак- ромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трехмерная структура. 8 В позитивных ФР под действием света образуются растворимые соединения (фоторазложение). Для осуществления этой задачи удоб- но использовать смеси нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль- дегидными смолами в органических раствоворителях. Светочувстви- тельной основой является НХД, а смола играет роль химически стой- кого полимера. В результате облучения и разрыва связей образуется инденкарбоновая кислота. Для завершения деструкции и перевода ки- слоты в растворимую соль необходимо воздействовать на нее прояви- телем со щелочными свойствами. При этом проявитель должен рас- творять и полимерную основу. Необлученные молекулы НХД затруд- няют, но не исключают полностью растворение основы в щелочных растворителях на неэкспонированных участках. Важным компонентом ФР являются растворители, от которых за- висят стабильность жидких растворов, характеристики нанесения и качество слоя ФР и др. Основными параметрами ФР являются светочувствительность, разрешающая способность, химическая стойкость к травителям [1,2]. Светочувствительность S - это величина, обратная экспозиции, т.е. количеству световой энергии, необходимой для облучения ФР, чтобы перевести его в нерастворимое (негативный ФР) или раствори- мое (позитивный ФР) состояние ( ) , 1 1 Et H S = = где H - экспозиция (доза облучения); E - энергооблученность; t - длительность облучения (или плотность потока энергии на поверхность фотослоя). Критерием светочувствительности ФР служит четкость рельефа рисунка в его слое после проведения процессов экспонирования и про- явления. При этом рельеф рисунка должен иметь резко очерченную границу между областями удаленного и оставшегося на поверхности подложки слоя ФР. Негативный ФР можно рассматривать как фоточувствительный материал с эффективной пороговой энергией Е п . Если энергия фотонов Е, падающих на резист, меньше пороговой энергии, то резист удаляет- ся в процессе проявления. Если же , п E E > то резист становится не- растворимым в проявителе и получающееся изображение действует как защитная маска. Величина Е п зависит от многих факторов: типа ФР, толщины ФР, материала подложки и др. Приблизительная оценка Е п может быть получена из характеристической кривой резиста - зави- 9 симости глубины проявления от энергии экспонирования или экспози- ции H (рис.2.2). Характеристическая кривая представляет собой зави- симость отношения толщины полимеризованной пленки s d к ее ис- ходной толщине 0 d от H lg [2]. Интенсивные фотохимические реак- ции для негативного ФР начинаются при экспозиции , 1 H что соответ- ствует пороговой чувствительности ФР 1 / 1 H S п = . При величинах энергии, превышающих пороговое значение в 2-3 раза растворяется очень незначительная часть пленки негативных ФР. В качестве крите- рия светочувствительности 0 S была выбрана d, составляющая 90 % от исходной толщины. Это соответствует экспозиции 2 H и 2 0 / 1 H S = Рис.2.2. Характеристические кривые для негативных (1) и позитивных (2) ФР В соответствии с законом Бугера-Ламберта интенсивность света, а, следовательно, и экспозиция уменьшается с увеличением глубины проникновения энергии в ФР, т.е. по экспоненциальному закону ( ) , exp 0 d H H d m - = где H 0 - экспозиция на поверхности ФР; m - коэффициент поглощения энергии материалом ФР, зависящий от длины волны экспонирующего излучения; d - глубина проникновения энергии в ФР. Экспозиция на поверхности фоторезиста, при которой он прораба- тывается на глубину d, будет равна ( ) , exp 0 d H H d m = d s /d 0 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 lgH 1 lgH 2 lgH п lgH 2 1 10 отсюда ( ) ( ) lg / lg lg 0 e H H d d m - = Толщина сшитого слоя пропорциональна H lg . Последнее урав- нение описывает линейный участок характеристической кривой (ин- тервал 2 1 H H - ). Кривая справедлива только для конкретной марки и толщины ФР. Позитивный ФР имеет аналогичную характеристическую кривую, но в зеркальном изображении (см.рис.2.2). Растворимость позитивного резиста в проявителе имеется даже при нулевом значении H. При уве- личении энергии она значительно возрастает до тех пор, пока при не- котором пороговом значении п H не наступит полная растворимость. При экспонировании позитивного фоторезиста необходимо облучение с большей энергией (большее время экспонирования), чем для нега- тивного фоторезиста. Следовательно, эффективность экспонирования позитивного ФР меньше по сравнению с эффективностью экспониро- вания негативного ФР. Более полную информацию о поведении позитивного фоторезиста дает зависимость скорости проявления пр V от экспозиции, представ- ленная на рис.2.3. Для позитивного фоторезиста важно, чтобы время проявления облученных участков в щелочном растворе было мини- мальным. Поскольку скорость растворения облученных участков зави- сит от концентрации образующейся при фотолизе инденкарбоновой кислоты, зависимость V пр от экспозиции позволяет оценить чувстви- тельность фоторезиста [2]. Она определяется при 2 H , когда скорость проявления достигает максимума 2 0 / 1 H S = Таким образом, критерием светочувствительности негативного ФР является образование после экспонирования и проявления на по- верхности подложки локальных полимеризованных участков - рельефа рисунка. Критерием S позитивного ФР является полнота разрушения и удаления с поверхности подложки локальных участков слоя ФР после экспонирования и проявления и образование рельефа рисунка. Разрешающая способность характеризует способность ФР к соз- данию рельефа рисунка с минимальными размерами элементов. Раз- решающая способность R определяется числом линий равной ширины, 11 Рис.2.3. Зависимость скорости проявления позитивного ФР от экспозиции разделенных промежутками такой же ширины и умещающихся в од- ном миллиметре. Разрешающая способность определяется путем экс- понирования ФР через штриховую миру, которую используют в каче- стве ФШ. После проявления выделяется участок с различимыми штри- хами наименьшей ширины. Разрешающая способность ФР и процесса ФЛ в целом с уменьшением толщины слоя ФР увеличивается (рис.2.4). Однако нижний предел толщины слоя ФР обусловлен снижением за- щитной способности таких слоев. При d<0,2 мкм возрастает растрав- ливание слоя за счет дефектов пленки на операции проявления. Разре- шающая способность для негативных ФР составляет 300 линий/мм, для позитивных ФР она выше - 1500-2000 линий/мм. Для получения изображений элементов с размерами 5-10 мкм необходимо выбирать фоторезист с R=500-1000 линий/мм. Основные характеристики неко- торых позитивных и негативных фоторезистов приведены в [2]. Химическая стойкость - это способность слоя ФР защищать поверх- ность подложки от воздействия травителя. Критерием стойкости явля- ется время, в течение которого ФР выдерживает действие травителя до момента появления таких дефектов, как частичное разрушение, от- слаивание от подложки, локальное точечное растравливание слоя или подтравливание его на границе с подложкой. Стойкость ФР к химиче- ским воздействиям зависит от типа ФР, его толщины и др. Поэтому стойкость ФР оценивают величиной бокового подтрава l или факто- ром травления l d K / = , где d - глубина травления (рис.2.5). Чем меньше боковое подтравливание l при заданной глубине травления, тем выше стойкость фоторезиста к травителю. На негативном фоторе- V пр 0 lgH 1 lgH 2 lgH 12 зисте боковой подтрав составляет 1-2 мкм, на позитивном фоторезисте на основе НХД - порядка 0,3-0,4 мкм. Рис.2.4.Зависимость разрешающей способности негативного фоторезиста (1) и фотолитографического процесса в целом (2) от толщины фоторезиста Рис.2.5. Боковой подтрав |