Литография. Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций, связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника

Травление

Мы уже упоминали о травлении как об одной из подготовительных операций, связанной с полировкой и очисткой поверхности полупроводника. Однако травление имеет более широкое применение.

Остановимся сначала на химическом травлении. Оно подразделяется на изотропное, анизотропное и селективное. Изотропное травление – это растворение полупроводникового материала с одинаковой скоростью по всем кристаллографическим направлениям. Такое травление позволяет равномерно стравливать тонкие слои и получать ровную поверхность. Такое травление называют также полирующим или химическим полированием. Анизотропное травление – растворение полупроводникового материала с неодинаковой скоростью по различным кристаллографическим направлениям позволяет вытравливать глубокие канавки и щели. Селективное (избирательное) травление – растворение полупроводникового материала с повышенной скоростью травления в местах выхода на поверхность структурных дефектов.

Анизотропным травлением получают углубление различных конфигураций на поверхности полупроводниковых пластин, разделительные канавки для диэлектрической изоляции и др. Обычно это травление является локальным, т.е. выполняется через окна и дорожки в маскирующих пленках SiO₂ или нитрида кремния Si₃N₄, поэтому его скорость, форма углубления и боковое расширение (“подтравливание”) зависят от кристаллографического направления их сторон. Например, можно получить V-образный профиль углублений. Селективное травление применяют для выявления на поверхности пластин дислокаций, дефектов, микроцарапин. Для повышения избирательности действия в состав травителя вводят поверхностно-активные вещества, которые увеличивают разность между скоростью травления дефектного и бездефектного участков.

Перед травлением пластины обязательно обезжиривают, а после выполнения операции химической очистки или травления пластины промывают деионизованной водой. Применяется жидкостное и сухое травление. Сухое травление осуществляется путем ионно-плазменной и ионно-лучевой обработки. Сухое травление поверхности пластин, используемое в технологическом процессе изготовления ИС после фотолитографии для создания рельефа (канавок, углублений и др.), относится к классу анизотропного травления, но является более эффективным, чем жидкостное травление.

Литографией называют процесс получения требуемой конфигурации в диэлектрических и металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводниковых или диэлектрических подложек. Литография основана на использовании особых соединений – резистов, обладающих свойством изменять свои свойства под действием различных излучений: ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентгенолучевая литография), потока электронов (электронная литография).

Наиболее широкое применение в производстве интегральных схем получила фотолитография. Чувствительные к свету соединения (фоторезисты) наносятся на поверхность подложки и подвергаются воздействию света через специальные стеклянные маски с прозрачными и непрозрачными участками (фотошаблоны). Это обеспечивает воздействие излучения на фоторезист на определенных участках. При последующем воздействии соответствующих химикатов происходит удаление с подложки отдельных участков пленки фоторезиста, освещенных или неосвещенных в зависимости от типа использованного фоторезиста (проявление). Таким образом, из пленки фоторезиста создается защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона.

В зависимости от типа фоторезиста его растворимость после облучения может либо возрастать (позитивные фоторезисты), либо падать (негативные фоторезисты). Пленка позитивного фоторезиста под действием излучения становится неустойчивой и растворяется при проявлении (рис.4, а), а пленка негативного фоторезиста, наоборот, под действием излучения становится нерастворимой, а растворяются при проявлении неосвещенные участки (рис.4, б). На этом рисунке ФШ – фотошаблон, ФР – фоторезист, ЗП – защитная пленка фоторезиста на полупроводниковой подложке (двуокись кремния, боросиликатное стекло, фосфоросиликатное стекло, алюминий и др.). Слои фоторезиста имеют толщину от 2,5 до 20 мкм.

В настоящее время практическое применение нашли контактноe и проекционное экспонирование. При контактном экспонировании размер изображения после проявления совпадает с размером окон на фотошаблоне с точностью до дифракционного рассеяния на краях. При серийном производстве контактная фотолитография обеспечивает в слое фоторезиста минимальный размер 0,8 мкм. Проекционное экспонирование позволяет уменьшить этот размер до 0,4 мкм. При этом способе размеры рисунка на фотошаблоне могут превышать заданные, так как проецирование на фоторезист осуществляется с помощью оптической системы в масштабе 10:1, 4:1 и др.

Фотошаблоны представляют собой прозрачные пластинки с рисунком, состоящим из сочетания непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков, создающих топологию одного из слоев структуры прибора или элемента интегральной схемы, многократно повторенной в пределах поля пластинки для одновременного изготовления большого числа ИС. Обычно используют металлостеклянные фотошаблоны, в которых рисунок создается тонкой металлической пленкой, нанесенной на стеклянную подложку. Для изготовления фотошаблонов применяют в основном два метода. Первый состоит в механическом вырезании первичного оригинала - увеличенного в 200... 500 раз рисунка, фотографическом уменьшении рисунка и его мультипликации. Второй – метод генерации изображений или метод фотонабора – основан на разделении топологической структуры фотошаблона на элементарные прямоугольники различной величины и последовательной фотопечати этих прямоугольных элементов на фотопластинку, на которой образуется промежуточный фотошаблон с 10-кратным увеличением рисунка по сравнению с его окончательным размером. Работа на фотонаборных установках осуществляется с помощью ЭВМ. Технические характеристики микрофотонаборных установок следующие: размер пластин 70×70 мм, дискретность перемещения 2,5 мкм, точность позиционирования ±1,5 мкм, производительность 900 экспозиций в час.

Мы уже отмечали, что при контактной фотолитографии в серийном производстве минимальный размер элемента 0,8 мкм, а при проекционной – 0,4 мкм. Поскольку минимальный размер элемента интегральной схемы определяет плотность упаковки, надежность, стоимость и такие важные параметры, как быстродействие и потребляемая мощность, то получение субмикронных размеров элементов является одной из основных задач БИС, СБИС и УБИС. Для борьбы с дифракционным рассеянием, препятствующим уменьшению размера элементов, перспективным является использование коротковолнового УФ-излучения, рентгеновского излучения, а также электронных пучков.

При рентгеновской литографии поток мягких рентгеновских лучей с длиной волны 0,4...1,4 нм направляется на шаблон, под которым располагается подложка, покрытая резистом, чувствительным к рентгеновскому излучению. Время экспонирования составляет несколько минут. Для изготовления шаблона можно использовать кремний с толщиной несколько микрометров, прозрачный для рентгеновского излучения. Для получения маски используется пленка золота (0,3 мкм), наносимая на тонкий слой кремния. В качестве источников рентгеновского излучения могут быть использованы рентгеновские трубки с ускоряющим напряжением около 8 кВ. Минимальный размер элемента, получаемый при рентгеновской литографии, 0,1 мкм.

В электронной литографии используются электронные пучки. Длина волны при энергии электронов 15 кэВ около 10^-15 мкм, т.е. примерно на четыре порядка меньше, чем у светового излучения, и на два порядка меньше, чем у рентгеновского излучения. Однако вследствие рассеяния электронов и образования вторичных электронов с достаточно высокими энергиями размер области резиста, которая экспонируется электронами, превышает размеры сечения электронного пучка и позволяет по оценкам получить разрешающую способность лишь 0,2 мкм. Общий недостаток всех систем электронной литографии состоит в необходимости помещения подложки в вакуум, что усложняет технологию процесса литографии. От этого недостатка свободна рентгено-лучевая литография; при этом используется более простое и дешевое оборудование.