Фотолитография. Основные процессы.

Использование фотолитографии в технологии производства микроэлектронных изделий позволяет получать на одной подложке огромное количество элементов (десятки и сотни тысяч) и сложных схем.

Методы реализации фотолитографии:

1. Контактная печать. При использовании данного метода шаблон с рисунком накладывается на подложку, покрытую ФР, экспонируется электромагнитным излучением. В результате физико-химических и структурных изменений появляется скрытое изображение, которое проявляется с помощью проявителя. Из-за тесного контакта между резистом и шаблоном достигается разрешение порядка 1 мкм. Основной недостаток - быстрая изнашиваемость шаблона, повреждения рабочего слоя, накопление дефектов и загрязнений на поверхности.

2. Бесконтактная печать (с зазором). Метод заключается в пространственном разделении подложки и шаблона, что уменьшает число дефектов и исключает истирание шаблона. Однако сильнее влияют процессы дифракционные процессы из-за зазора.

3. Проекционная печать. Изображение топологического рисунка проецируется с ФШ на подложку с помощью оптической системы. Изображение на подложке получается существенно меньше шаблона-оригинала, который используется неограниченное количество раз. Предъявляются высокие требования к оптическим системам[1][2][3].

1.1 Фоторезисты

 

Фоторезисты (актинорезисты) (ФР) - это сложные полимерные композиции, в составе которых имеются пленкообразующие и фоточувствительные к ультрафиолетовому излучению компоненты, растворители и специальные добавки. Последние вводят для улучшения условий пленкообразования (разбавители), изменения фоточувствительности (сенсибилизаторы), повышения адгезии фоторезистивного слоя к подложкам, улучшения стойкости к воздействиям кислот, щелочей, высоких температур и др. Растворители определяют стабильность свойств готовых фоторезистов, влияют на процесс нанесения и последующее высыхание фотослоя.

Фотохимические процессы, происходящие в ФР под действием УФ- излучения, можно разделить на две стадии – световую и темновую. На световой стадии в результате поглощения кванта излучения наиболее слабая химическая связь фоточувствительной молекулы разрывается и образуется свободный радикал. На темновой стадии протекают реакции, приводящие к деструкции (разрушению) молекулярных цепей полимера либо, наоборот, к структурированию (сшиванию) молекул в прочную сетку.

Существуют два класса фоторезистов:

• позитивные;

• негативные.

Позитивные ФР — это резисты, локальные участки которых после воздействия излучения за счет фотодеструкции (разрушения) удаляются в проявителях, а необлученные — остаются на подложке и образуют фоторезистивную контактную маску.

Негативные ФР — это резисты, локальные участки которых под действием излучения в результате фотоструктурирования (сшивания) становятся стойкими к воздействию проявителя и в отличие от необлученных участков остаются на подложке, образуя фоторезистивную маску. Формирование рельефа с различными фоторезистами представлены на рисунке 1.

Главной задачей фоторезисторов является на поверхности полупроводниковой пластины или другой подложки тонкой защитной пленки с нужной конфигурацией рисунка. Рельеф появляется за счет светового воздействия на участки пленки и дифференцируемой растворимости освещенных и неосвещенных участков[2][6].

 

 

Рис.1 - Формирование рельефа с негативным и позитивным фоторезитом

Технологический маршрут процесса фотолитографии

 

Процессы фотолитографии представлен следующими операциями:

 

1. Подготовка поверхности подложки.

Подготовка поверхности исходной подложки перед нанесением фоторезиста - комплекс последовательных обработок в химических растворах и растворителях с целью удаления различных загрязнений и адсорбированных газов, а также усилении гидрофобности поверхности.

2. Нанесение слоя резиста.

Нанесенный на предварительно подготовленную поверхность подложек слой ФР должен быть однородным по толщине, без проколов, царапин (т. е. быть сплошным) и иметь хорошую адгезию. Наносят слой ФР в максимально обеспыленной среде. Перед употреблением ФР обязательно фильтруют в специальных фильтрах. Существуют следующие методы нанесения ФР[5]:

• центрифугирование;

• распыление (пульверизация);

• электростатический метод;

• окунание;

• полив;

• накатка.

3. Термическая сушка резиста.

Эту операцию проводят для удаления растворителя из слоя ФР и образования однородной пленки. От сушки зависят такие параметры, как адгезия, внутренние механические напряжения в пленке. Правильная сушка обеспечивает непрерывную диффузию растворителя к поверхности слоя и его испарение. При проведении сушки опасны перепады температур и быстрый нагрев. Максимальная температура сушки выбирается для каждого ФР отдельно

4. Совмещение рисунка ФШ с рисунком на исходной пластине.

В соответствии с принципами локальности и послойности технологических обработок в процессе изготовления структур микросхем ФЛ проводится несколько раз, в зависимости от количества формируемых топологических слоев. Каждая такая операция служит для создания в поверхностном слое кристалла определенных областей прибора – коллектора, базы, эмиттера, контактных площадок и металлизированных выводов. Информацию о геометрии этих областей несет инструмент, который называется фотошаблоном.

5. Экспонирование резиста.

Операцию экспонирования проводят для того, чтобы в фоторезисте произошли фотохимические реакции, изменяющие свойства фоторезиста. От этой операции зависит качество переноса микроизображения с ФШ на ФР.

6. Проявление фоторезиста.

Проявление или визуализация скрытого изображения, состоит в воспроизводимом и контролируемом удалении резиста с экспонированного (позитивного) или неэкспонированного (негативного) участков.

Процесс проявления негативных ФР является процессом растворения полимерных материалов. В качестве проявителей используют толуол, хлорбензол, трихлорэтилен и др.

7. Термическая сушка (задубливание) резиста.

Целью процесса сушки фоторезиста (дубления) после проявления является испарение остатков проявителей, размягчающих слои, и его дополнительная тепловая полимеризация. Температура сушки рельефа должна быть выше температуры сушки слоя фоторезиста при его нанесении на подложку. ФР по своему назначению обладает двумя основными свойствами - светочувствительностью (фото) и кислотостойкостью (резист).

8. Контроль рельефа в пленке ФР.

Контроль проводят визуально под микроскопом. Проверяют всю рабочую поверхность пленки и образованных элементов. Контролируются следующие параметры: чистота рабочего поля, наличие проколов, геометрические размеры элементов рельефа, искажение формы элементов, не полное удаление ФР в окнах (при позитивном ФР) или за окнами (при негативном ФР), наличие ореола и клина

9. Травление технологического слоя;

К методам обработки пластин относятся химические и плазменные методы.

Химическое травление - это процесс растворения обрабатываемого материала, основанный на взаимодействии этого материала с травильным раствором.

Плазмохимическое травление (ПХТ) – вид плазменного травления, основанное на возбуждении разряда в среде химически активных газов, ионы и радикалы которых, взаимодействуя с поверхностным слоем полупроводниковой пластины, способны образовывать летучие соединения, удаляемые из рабочей камеры через откачную систему

10 Удаление резистивной маски.

Удаление резистивной маски может происходить также двумя основными способами:

1) Химический способ.

Химическое удаление защитного рельефа фоторезиста с поверхности подложки является завершающей операцией, от которой зависит качество последующих технологических процессов изготовления приборов: окисления, диффузии, нанесения металлизации и др

2) Плазмохимический метод.

Для удаления фоторезиста используют низкотемпературную кислородную плазму при давлении 5∙10² Па. В такой плазме происходит ряд химических превращений, в результате которых образуются активные частицы: атомарный кислород, озон, возбужденные молекулы кислорода. Взаимодействие кислорода с фоторезистом приводит к образованию СО₂, NО₂, Н₂O и других летучих соединений

 

4. Эпитаксия. Основные закономерности. Легирование в процессе эпитаксии.

Под словом эпитаксия, образованном из греческих слов epi (на) и taxis (порядок), понимается управляемое выращивание тонких слоев с упорядоченной структурой на плоской монокристаллической подложке. Существенно, что кристаллическая структура эпитаксиальных слоев воспроизводит структуру подложки. Химический состав эпитаксиального слоя и подложки может различаться, но непременным условием эпитаксиального роста является близость значений

постоянной решетки. Эптаксиальные структуры отличаются следующими характерными свойствами:

1. По уровню структурного совершенства, отсутствию дефектов и примесей, эпитаксиальные слои значительно превосходят объемные материалы (в том числе и материал подложки).

2. Химический состав выращиваемых слоев может управляемым образом меняться. Технология предполагает также возможность управляемого легирования слоев непосредственно в процессе роста.

3. Эпитаксия позволяет выращивать чередующиеся слои различного состава, причем, благодаря наличию атомно-резких границ, толщины слоев могут уменьшаться вплоть до атомных размеров.

4. Качество поверхности эпитаксиального слоя значительно превосходит качество исходной поверхности подложки. Это позволяет создавать структуры с, почти атомарно плоскими гетеросграницами.

 

Виды эпитаксии:

-МЛЭ (давление в камере 10^-7 Па, тигили с материалом находятся 0,5 м от подложкодержателей; нагрев подложки от 500-700 градусов.

-ГФЭ (газофазная эпитаксия, аналог ЖФЭ), материал поступает в виде газа, раздельными путями и в камере происходит образование пленки, давление в камере зависит от выращиваемых структур, остатки газа откачиваются.

В процессе роста эпитаксиальные слои легируют, т.е. в них вводят донорные или акцепторные примеси для получения определенного типа проводимости (n- или p-) и определенного удельного сопротивления эпитаксиального слоя. Легирование эпитаксиальных слоев происходит одновременно с их ростом путем введения в газовую смесь соединений, содержащих легирующие элементы. Если необходимо получить эпитаксиальный слой n-типа проводимости, используют легирующие вещества, содержащие фосфор (РС13, РН3 и др.). Если необходимо получить эпитаксиальный слой p-типа проводимости, используют легирующие вещества, содержащие бор(В2Н6, BBr3 и др.).

Легирование при эпитаксии. Для легирования используются гидриды примесных элементов (арсин AsH3, диборан B2H6, фосфин PH3). Процессы, происходящие на поверхности кремния при осаждении:

* адсорбция мышьяка на поверхности;

* диссоциация молекулы;

* встраивание мышьяка в растущий слой.

2AsH3---2Asгаз+3H2газ---2Asтв---2(As+)тв+2(e-)

Скорость роста пленки влияет на количество встраиваемой в электронный слой примеси, т. к. с увеличением скорости не достигается равновесие между твердой и газообразной фазами реагирующих веществ. Если поток легирующей примеси в реактор резко прервать, это не приведет к быстрому изменению уровня легирования, что указывает на большую инертность процесса легирования. Процесс внедрения в эпитаксиальный слой примесных атомов из пластины называется автолегированием. Различают макроавтолегирование, когда нежелательные легирующие атомы перемещаются внутри реактора от одной пластины к другой, и микроавтолегирование, когда посторонние примесные атомы внедряются в локальные области эпитаксиального слоя той же самой пластины.