Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
Алюминий широко применяется для создания проводящих слоев, контактных площадок и элементов пересечений. Кроме того, в микро- схемах с тонкопленочными конденсаторами алюминий используется для верхних и нижних обкладок. Образующаяся на алюминии тонкая окисная пленка затрудняет его сварку и особенно пайку; однако ее присутствие позволяет созда- вать высоконадежные пленочные пересечения благодаря эффекту "са- мозалечивания". Большим преимуществом алюминия при создании тонкопленочных проводников и пересечений является то, что в ряде технологических процессов проводящая пленка алюминия может быть 117 превращена в диэлектрический слой окиси алюминия и, следователь- но, возможно получение безрельефных структур. К достоинствам алюминия следует также отнести и то, что он практически не меняет свои свойства при температурах до 500 о С. Благодаря перечисленным выше свойствам алюминий находит самое широкое применение в технологии гибридно-пленочных микро- схем. К недостаткам алюминия следует отнести технологические сложности получения толстых (5-10 мкм) слоев. В последнее время используются фракционирующие сплавы, в состав которых входит наряду с медью 2 % Mn, 5 % Ni, 0,1 % Ti. Из сплава сначала испаряется легколетучий компонент (Mn), затем медь. Приповерхностная зона будет обогащена материалами с высокой тем- пературой испарения (Ni, Ti). На основе таких слоев можно делать контактные площадки и проводники, удовлетворяющие всем постав- ленным требованиям. Для микросхем на основе пленок тантала в качестве материала резисторов и для подслоя выбирают тантал с толщиной до 0,05 мкм, затем осаждают диэлектрический слой, а в качестве материала верхней обкладки и для проводящего слоя используют золото. Таким образом, проводники и контактные площадки имеют двухслойную структуру Ta-Au. Одновременное использование различных материалов при созда- нии одной микросхемы накладывает на их выбор ряд дополнительных ограничений. Рекомендуется учитывать возможность появления до- полнительных шумов, контактной разности потенциалов в месте кон- такта разнородных материалов, переходного сопротивления на грани- це раздела слоев. 6. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ИМС В настоящее время существует большое количество типовых тех- нологических процессов изготовления тонкопленочных ИМС. В осно- ву каждого процесса положены способ нанесения пленок и метод по- лучения рисунка элементов ИМС. Например, термическое испарение с осаждением пленки на под- ложку через свободные маски (трафареты), получение сплошных пле- нок путем термического испарения в вакууме или ионно-плазменным распылением с последующим формированием рисунка с помощью фотолитографии и др. Каждый из процессов имеет свои разновидности в зависимости от количества и типов пленочных элементов, от нали- 118 чия внутрисхемных соединений и используемых материалов. Поэтому последовательность операций при формировании пленочных элемен- тов различна. Представим техмаршрут изготовления резистивно-ёмкостной тон- копленочной микросхемы (RC-схемы) состоящей из резисторов на основе пленок хрома и конденсаторов Al-SiО-Al. Для такой RC-схемы целесообразно проводники и контактные площадки выполнять из алюминия. На рис. 6.1–6.4 показана последовательность формирова- ния схемы с использованием контактных масок. Первые две операции технологического процесса — нанесение резистивного слоя (Cr), про- водящего слоя (Al) для внутрисхемных соединений и нижней обкладки конденсатора — выполняют в одном вакуумном цикле, в вакуумных установках, рабочие камеры которых оборудованы двумя испарителя- ми и устройствами карусельного типа для смены нескольких подложек, а также устройствами подвода их на позиции испарения. Рис. 6.1. Формирование рисунка в слоях хрома и алюминия: экспони- рование (а); фотошаблон № 1 (б); проявление фоторезиста (в); травле- ние хрома и алюминия (г). а) б) Фотошаблон № 1 ФР-негатив Cr в) г) ФР-маска Al Al Cr Cr Al 119 Процесс формирования резистивного слоя осуществляют сле- дующим образом. Перед началом технологического цикла производят подготовку вакуумной установки путем очистки рабочей камеры и загрузки испарителей навесками из хрома и алюминия. На карусели устанавливают подложки и контрольные образцы для измерения удель- ного сопротивления резистивной пленки в процессе её осаждения. По- сле загрузки рабочую камеру откачивают до необходимого давления (10 -2 –10 -4 ) Па, нагревают подложки до температуры 200–250 0 С, под- водят на позицию испарения хрома, разогревают его до температуры испарения и, открывая заслонку, производят напыление на подложку. При получении резистивного слоя заданной толщины, закрыв заслон- ку, прекращают напыление и на позицию напыления подводят сле- дующую подложку. Таким образом, наносят резистивный слой после- довательно на все подложки. Затем выключают нагрев испарителя хрома, включают испаритель алюминия и аналогично осуществляют напыление проводящего слоя алюминия на все подложки. Выключают нагрев испарителя и подложек. Подложки сначала остывают в вакууме до температуры 50–60 0 С, а затем извлекаются из вакуумной установки. Формирование рисунка в слоях хрома и алюминия осуществляет- ся с помощью двух последовательных фотолитографий (прямые кон- тактные маски). Для первой ФЛ используется фотошаблон, задающий совместный рисунок резистора, проводников, контактных площадок, нижней обкладки конденсатора и меток совмещения (рис. 6.1). Для од- новременного травления хрома и алюминия используется универсаль- ный травитель, который не разрушает ФР-маску. После удаления мас- ки на подложке получается покрытие из слоев хрома и алюминия. С помощью второй ФЛ удаляют алюминий с резистора, используя фотошаблон № 2, задающий рисунок контактных площадок, провод- ников, нижней обкладки конденсатора и меток совмещения (рис. 6.2). При этом выбирают селективный травитель, который травит алюми- ний, но не действует на хром. В результате все проводники и нижняя обкладка конденсатора получается двухслойными. Диэлектрическая пленка SiO напыляется на подложку сплошным слоем и рисунок фор- мируется с помощью ФШ № 3, который просто совмещается с рисун- ком, имеющимся на подложке. Это совмещение возможно, поскольку слой SiO прозрачный и большой точности при изготовлении диэлек- трика не требуется (рис. 6.3). 120 Для формирования верхней обкладки конденсатора нужно использо- вать обратные маски, так как, если напылять Al на уже сформирован- ную часть схемы, где уже имеется слой алюминия, то, во-первых, нельзя будет разделить травление верхнего слоя Al от нижележащего, во-вторых, нельзя будет сделать совмещение меток на шаблоне с мет- ками на подложке, так как алюминий является непрозрачным материа- лом. а) г) в) б) ФР-позитив ФР-маска Al Cr Рис. 6.2. Формирование рисунка в слое алюминия: экспонирование (а); вид фотошаблона № 2 (б); проявление фо- торезиста (в); травление алюминия (г). Фотошаблон № 2 121 Последовательность формирования верхней обкладки конденсато- ра и проводников с помощью обратной ФР-маски заключается в сле- дующем (рис. 6.4). Сначала на подложку наносится позитивный фото- резист и с помощью ФШ № 4 формируется обратная ФР-маска, на который сплошным слоем сверху напыляется алюминий. Воздействуя на фоторезист, удаляют ФР-маску вместе с алюминием, лежащим на ней. На подложке остается слой алюминия, соответствующий рисунку верхней обкладки конденсатора и, возможно части проводников и кон- тактных площадок. в) Рис. 6.3. Формирование рисунка в слое диэлектрика: экспонирование (а); вид фотошаблона № 3 (б); травление диэлектрика (в). Фотошаблон № 3 SiО а) б) SiО ФР-позитив 122 Для изготовления RC-схемы можно использовать комбинирован- ный способ получения рисунка, сочетающий фотолитографию и сво- бодные маски (трафареты). Резисторы, проводники и нижняя обкладка конденсатора формируются с помощью двух последовательных фото- литографий (см. рис. 6.1–6.2). После этого в непрерывном вакуумном цикле через соответст- вующие трафареты напыляют диэлектрик SiO и верхние обкладки конденсатора из алюминия. Это возможно, если верхняя обкладка имеет достаточно большие размеры, а область диэлектрика перекрывает размеры обкладок и не влияет на емкость конденсатора. Танталовая технология Типовые технологические процессы изготовления пассивной час- ти гибридных ИМС по танталовой технологии основаны на катодном Рис. 6.4. Формирование рисунка в слое алюминия методом обратной маски: нанесение ФР (а); вид шаблона № 4 (б); напыление алюминия (в); взрыв обратной ФР-маски (г) Фотошаблон № 4 а) б) в) г) Al ФР SiO Обратная ФР-маска Cr 123 распылении для нанесения пленок тантала и различных способах по- лучения пленочных конфигураций. При этом металлические пленки из тантала являются исходным материалом для формирования проводя- щих, резистивных и емкостных элементов. Так, применяя катодное реактивное распыление, можно получать резистивные пленки с боль- шим диапазоном удельного сопротивления, а используя анодирование пленок тантала — диэлектрические слои окиси тантала Та 2 О 5 . Следо- вательно, общий принцип танталовой технологии заключается в моно- литности изготовляемой пленочной структуры, что значительно об- легчает ее производство. Возможности и преимущества танталовой технологии обусловле- ны, прежде всего, особыми свойствами пленок тантала: а) резисторы и конденсаторы могут быть получены на основе од- ного материала, что существенно упрощает технологию и снижает стоимость ИМС; б) RС-элементы на основе пленок тантала стабильны и надежны во времени; в) с помощью анодирования пленок тантала можно получить ди- электрик для конденсаторов, осуществить защиту резисторов и откор- ректировать значение сопротивления; г) высокое поверхностное сопротивление достигается при низком температурном коэффициенте сопротивления и достаточной стабиль- ности; д) пленка Та 2 О 5 обладает высокой электрической прочностью, высоким значением e, невосприимчивостью к влажности и высокой добротностью; е) тантал невосприимчив к радиации. В связи с этим по танталовой технологии можно изготовлять пас- сивные RС-структуры как с сосредоточенными, так и с распределен- ными параметрами любой сложности и конфигурации. На основе тан- таловой технологии можно получить три типа пленочных конденсато- ров: 1) со структурой Та — Та 2 О 5 — Аu, для которых характерна высо- кая электрическая прочность; 2) со структурой Та— Та 2 О 5 — Ni(Ti)Au, характеризующиеся по- ниженной чувствительностью к влаге (благодаря прослойке из Ni или Тi); 3) со структурой Аu — Та 2 О 5 — А1, характеризующиеся низким сопротивлением обкладок и высокой добротностью. 124 Учитывая эти особенности и то, что пленки Та 2 О 5 травят в ще- лочном травителе, а пленки тантала — в кислотном, можно получить различные варианты типового технологического процесса. Следует отметить, что по танталовой технологии практически не- возможно изготовление многослойных структур, так как при фотоли- тографической обработке верхнего танталового слоя будут нарушаться геометрические размеры нижних слоев тантала. В промышленных условиях наиболее распространен следующий типовой технологический процесс изготовления пассивной гибридной ИМС по танталовой технологии. Рассмотрим формирование тонкопле- ночной RC-структуры по данному типовому процессу. На подложку из стекла или ситалла наносят методом катодного распыления сплошную пленку тантала. Эту операцию обычно производят на специальной ус- тановке, оборудованной транспортно-бункерным устройством для подложек и передвижения их на рабочую позицию в горизонтальном направлении. Электродная система установки состоит из плоского танталового катода и анода, в качестве последнего служат горизон- тальные направляющие загрузочного устройства По окончании процесса осаждения пленки тантала нужной тол- щины на все подложки загруженные в камеру установки, их извлекают и подвергают обработке (рис 6.5). При этом с помощью фотошаблона ФШ № 1 в танталовой пленке вытравливают рисунки проводников и нижней обкладки конденсатора. Затем подложки очищают от следов фоторезиста и наносят на них методом термического испарения сплошной слой пленки алюминия. Фотошаблон № 1 Рис. 6.5. Формирование рисунка в пленке тантала: а — фотошаблон № 1; б — рисунок в пленке Та на подложке а) б) 125 Затем производят фотолитографию и формируют алюминиевую контактную маску с помощью фотошаблона ФШ № 2 (рис. 6.6). В даль- нейшем осуществляют электролитическое анодирование тантала на незащищенных участках, наращивая слой оксида тантала Та 2 О 5 . Ано- дирование выполняют в электрохимической ванне, наполненной элек- тролитом, в который погружен нерастворимый катод. Анодом служит пленка тантала, все элементы рисунка которой электрически соединены между собой алюминиевой контактной маской. Для того чтобы алюминий не окислялся, перед анодированием не удаляют с подложки защитный рельеф из фоторезиста, полученный перед этим. При постоянной температуре электролита толщина пленки оксида зависит только от напряжения, приложенного между анодом и катодом, поэтому процесс роста пленки оксида тантала довольно про- сто контролируется. Получаемая в результате электролитического анодирования плен- ка оксида имеет непористую аморфную структуру, обладает химиче- ской стойкостью и высокой механической прочностью. Вследствие этого оксид тантала используется в качестве диэлектрика конденсатора и защищает танталовые резисторы от коррозии. По окончании процесса анодирования с подложек удаляют за- щитный рельеф из фоторезиста и снова осаждают на них методом тер- мического испарения сплошной слой алюминия, в котором затем вы- травливают рисунок верхней обкладки конденсатора и получают на подложке рисунок ИМС по танталовой технологии (рис. 6.7). Фотошаблон № 2 Рис. 6.6. Формирование рисунка контактной маски: а — фотошаблон № 2; б — рисунок на подложке а) б) 126 Несмотря на то что процесс катодного распыления сложнее про- цесса термического испарения в вакууме, благодаря технологичности и большим возможностям танталовая технология широко используется при изготовлении высокостабильных гибридных ИМС. Электронно-лучевая технология Данный типовой технологический процесс наиболее целесообра- зен для изготовления ИМС, содержащих только пленочные резисторы и соединения. Технологический процесс формирования пассивной части гибридной ИМС с использованием электронно-лучевой грави- ровки для получения пленочных конфигураций проводят в такой по- следовательности. Вначале на керамическую подложку в виде сплош- ных покрытий напыляют резистивный и проводящий слои, после чего проводят два фрезерования с помощью электронного луча для получе- ния необходимой конфигурации пленочных элементов. Особенностью электронно-лучевой технологии является возможность ее автоматиза- ции. Поскольку перемещением электронного луча по поверхности лег- ко управлять электрическим или магнитным полем, необходимую конфигурацию можно получить по заданной программе. Такой про- граммный способ изготовления наиболее экономичен для получения ИМС, пассивная часть которых содержит резисторы высокой точности и соединения. Фотошаблон № 3 Рис.6.7. Формирование рисунка верхней обкладки: а — фотошаблон № 3; рисунок ИМС на подложке а) б) 127 7. КОНСТРУКТИВНО -ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИМС 7.1. Структуры элементов полупроводниковых ИМС При изготовлении полупроводниковых ИМС наибольшее распро- странение получила планарная технология, в основе которой лежит метод контролируемого введения примесей в локальные области по- лупроводниковой пластины. Планарная технология позволяет одно- временно получать большинство элементов ИМС в течение единого технологического процесса. Планарная технология также характеризу- ется тем, что все внешние границы n p - переходов выходят на одну плоскость, т.е. все элементы и выводы от них расположены с одной стороны полупроводниковой пластины. Для характеристики типа применяемых в ИМС транзисторов, а также технологических методов их изготовления пользуются понятия- ми топологии и структуры ИМС. Топология задает размеры элементов ИМС в плане и их взаимное расположение и определяет выбор метода получения рисунка схемы. Структура ИМС показывает последова- тельность слоев в составе микросхемы по нормали к поверхности кри- сталла, различающихся материалом, толщиной и электрофизическими свойствами. По структуре ИМС устанавливается состав и последова- тельность технологических методов обработки пластины, и определя- ются технологические режимы каждого метода. В настоящее время различают два класса полупроводниковых ИМС: биполярные и МДП ИМС в зависимости от используемых тран- зисторов в схеме. Главным элементом биполярных ИМС является би- полярный + - - n p n транзистор. Технология всех других элементов ( p n p - - транзисторов, резисторов, диодов, конденсаторов) должна "приспосабливаться" к технологии + - - n p n транзистора. Такое "приспосабливание" означает, что для изготовления других элементов следует, по возможности, избегать дополнительных технологических операций, и желательно использовать те же рабочие слои (коллектор- ный, базовый и эмиттерный). Отсюда используется такая терминоло- гия, как "в качестве резистора применяется базовый слой" или "рабо- чий слой резистора получают на этапе базовой диффузии". Таким об- разом, при изготовлении ИМС используется интегральная технология, которая представляет собой совокупность методов обработки, позво- ляющую при наличии структурного подобия различных элементов 128 ИМС формировать их одновременно в едином технологическом про- цессе. Главный самый сложный элемент биполярной ИМС + - - n p n транзистор имеет структуру, представленную на рис.7.1. Рис. 7.1. Структура биполярного транзистора В качестве диода биполярной ИМС можно использовать один из двух n p - переходов транзистора. Однако наиболее оптимальными вариантами являются n p - переход между замкнутыми коллектором с базой и эмиттером, или просто n p - переход эмиттер-база (рис.7.2). Рис. 7.2. Структуры диодов биполярной ИМС Резисторы биполярных ИМС чаще всего изготавливаются в базо- вой области. Структура резистора представлена на рис.7.3. Рис. 7.3. Структура резистора в базовой области p n + n + p n |