Принципы формирования конфигураций элементов ИС

Совокупность областей с одинаковыми электрофизическими свойствами, толщиной и расположением по отношению к поверхности подложки принято называть слоем. Фрагменты каждого слоя в плоскости подложки имеют разную форму, определяемую функциональным назначением формируемой им области. Формирование рисунка всех областей одного слоя производится одновременно.

Наиболее часто используемым методом формирования рисунков отдельных слоев является литография. Последовательность формирования рисунка с использованием техники литографии подразделяется на ряд отдельных операций. Вначале на поверхность пластины пластины наносится слой специального лака, называемого резuстом. В качестве резистов используются материалы, способные изменять свои физико-химические свойства под действием различного вида излучений: квантов света, ускоренных электронов и т.д. Локальное воздействие на материал резиста осуществляется с использованием фотошаблона – пластины из прозрачного для излучения материала, на которой в пленке непрозрачного материала сформирован прототип рисунка в виде прозрачных и непрозрачных полей. В результате экспонирования резиста через фотошаблон в слое резиста создается скрытое изображение рисунка, имеющегося на фотошаблоне (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Процесс переноса изображения при фотолитографии

а – нанесение фоторезиста, б – экспонирование,

в – проявление изображения, г – травление SiО₂

Это скрытое изображение можно проявить, обработав пленку резиста в реактиве, который способен растворять только экспонированные (или только неэкспонированные) области этой пленки. В результате на поверхности подложки сформируется маска – рельефный рисунок в виде покрытых резистом и свободных от него областей. Маску из резиста можно использовать при выполнении операций локального ионного легирования. Однако чаще рисунок этой маски впоследствии переносится в подложку или находящуюся на ее поверхности пленку путем обработки в реактивах или средах, способных удалять материал подложки или пленки, но не действующих на материал резиста. После создания рисунка в подложке или пленке материал резиста удаляется.

Созданный на поверхности подложки слой со сформированным в нем рисунком может являться частью общей структуры кристалла ИС, например слои изолирующего и защитного диэлектрика, слои металлизации. Часто слои выполняют служебные функции – сами используются в качестве масок при выполнении каких-либо операций, которые нельзя или нецелесообразно выполнять с использованием маски из фоторезиста. Например, маски из слоев оксида или нитрида кремния используются при проведении высокотемпературных операций локального диффузионного легирования полупроводника. Такие вспомогательные слои на каком-то этапе изготовления структуры удаляются. Таким образом, количество фотолитографических процессов равно количеству слоев, которые и формируют всю структуру кристалла ИС. Последовательное применение описанных выше операций позволяет изготовить ИС с очень большим количеством отдельных элементов, которое в 2004 году составляло около 10⁹.

Последовательность изготовлеиия биполярной не с изоляцией р-п переходом

ИС изготовляются по групповой технологии, т.е. на одной подложке одновременно изготовляется большое количество отдельных ис. Часть подложки, отведенную под одну микросхему, в полупроводниковой технологии называют кристаллом.

Перечислим основные технологические операции изготовления простой биполярной ИС с изоляцией обратно смещенным р-п переходом (рис. 4.3).

1. Подготовка подложки – пластины кремния нужной толщины и с определенной кристаллографической ориентацией, обработка одной из ее сторон для обеспечения высокой плоскостности поверхности, очистка поверхности от возможных загрязнений.

2. Окисление подложки, фотолитография по оксиду для формирования маски, которая защитит поверхность кремния при диффузии примеси, вводимой для создания областей скрытого коллекторного слоя. Диффузионное легирование донорной примесью (рис. 4.3, а).

3. Удаление оксида с поверхности пластины и осаждение эпитаксиального слоя п-типа электропроводности.

4. Окисление пластины, фотолитография по слою оксида – формирование окон для последующего диффузионного легирования с целью создания разделительных p–областеЙ. Введение акцепторной при меси (рис. 4.3, б).

5. Окисление, фотолитография по оксиду с целью формирования окон для создания области базы. Введение акцепторной примеси (рис. 4.3, в).

6. Окисление, фотолитография по оксиду с целью формирования окон для создания области эмиттера и дополнительного легирования области контакта к коллектору. Введение донорной примеси (рис. 4.3, г).

7. Удаление слоя оксида, выполиявшего функции маски при диффузии примесеЙ. Нанесение слоя оксида, предназначенного для изоляции системы металлизации от подложки. Фотолитография по слою оксида с целью вскрытия контактных площадок к областям эмиттера, базы и коллектора (рис. 4.3, д).

8. Нанесение слоя металла, фотолитография по нему – создание рисунка межсоединений, объединяющих ранее созданные элементы ИС в единую электрическую схему.

9. Нанесение слоя защитного диэлектрика, фотолитография по нему с целью вскрытия площадок для подсоединения к кристаллу внешних выводов.

Рис. 4.3 Фрагменты фотошаблонов (справа) и изменения структуры (слева)

Литография

Наиболее распространенной технологией формирования рисунка каждого слоя является фотолитография. Первоначально рисунок формируется в слое фоторезиста. Существуют негативные и позитивные фоторезисты.

При облучении светом в негативных фоторезистах инициируются реакции полимеризации, в результате которых материал становится химически более инертным. Позитивные резисты под действием облучения, напротив, становятся химически более активными. Локальное экспонирование фоторезиста осуществляется с использованием фотошаблона. При использовании позитивного фоторезиста (и, соответственно, позитивного фотошаблона) на подложке остаются неэкспонированные участки пленки фоторезиста.

На любом фотошаблоне кроме рисунков основных модулей – кристаллов всегда имеются специальные метки или модули, предназначенные для точного совмещения рисунков отдельных слоев. На пластине часто создаются специальные тестовые структуры, используемые для контроля технологических процессов, например для измерения проводимости отдельных слоев, параметров р-п переходов или транзисторов. И метки совмещения, и тестовые структуры могут также включаться и в состав кристалла.

Оптическая литография (фотолитография) в соответствии со способами экспонирования может быть контактной, бесконтактной и проекционной. При контактной печати пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте с фотошаблоном. Многократное приведение шаблона в механический контакт с пластиной повреждает его. Все повреждения шаблона воспроизводится как дефекты топологического рисунка на других пластинах, при экспонирован ии которых использован этот шаблон.

В методе бесконтактного экспонирования между пластиной и шаблоном поддерживается небольшой зазор (порядка нескольких микрометров). Этот зазор уменьшает (но не устраняет) возможность повреждения поверхности шаблона. И контактная, и бесконтактная литография обеспечивают воспроизведение рисунка фотошаблона в масштабе 1: 1 на всей поверхности пластины.

Третий метод экспонирования – проекцuонная печать позволяет полностью исключить повреждения поверхности шаблона. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется через объектив на покрытую резистом пластину. Использование проекционного метода экспонирования позволяет в широких пределах изменять соотношение размеров рисунка на фотошаблоне и в слое фоторезиста. Обычно рисунок фотошаблона уменьшается в несколько (1,5 – 5) раз. Это широко используется с целью "масштабирования" ИС, поскольку один и тот же фотошаблон можно использовать для создания ИС с разными размерами элементов.

Даже очень высококачественные проекционные системы способны с приемлемой точностью воспроизводить рисунок фотошаблона на ограниченной площади. Обычно размер этой площади не превышает единиц квадратных сантиметров, поэтому экспонирование всей поверхности пластины производится в несколько приемов, что обеспечивается пошаговым перемещением пластины.

Как и любой другой технологический процесс, перенос рисунка в слой фоторезиста имеет ограниченную точность. Наиболее принципиальные физические ограничения точности переноса рисунка обусловлены явлениями дифракции света. При отсутствии физического контакта между шаблоном и пластиной перенос изображения осуществляется в дифракционной области Френеля, разрешение в которой пропорционально (λg)^1/2, где λ – длина волны экспонирующего излучения, g – ширина зазора между шаблоном (или объективом) и пластиной. С целью повышения точности пере носа рисунка, обеспечения возможно меньших размеров отдельных элементов используют все более коротковолновое излучение.

Явления дифракции, рассеяние света в материале резиста, отражения света от границ раздела сред, и даже конечные размеры молекул резиста приводят к тому, что граница между экспонированными и не экспонированными участками пленки резиста не является идеально резкой. Все эти факторы, а также процесс проявления, когда материал резиста последовательно удаляется, начиная с поверхности пленки, являются дополнительными причинами неточности переноса рисунка фотошаблона в слой резиста и также ограничивают предельные размеры элементов рисунка, создаваемого в слое резиста. Кроме того, край рельефной маски в слое резиста оказывается не вертикальным, а имеющим некоторый наклон (см. рис. 4.4, а).

Рис. 4.4. Наклон края маски при литографии:

а – фотолитография, б – взрывная (обратная) литография

В настоящее время удается в промышленных масштабах создавать ИС с размерами элементов порядка 100 нм. Практика изготовления ИС показала, что в течение последних 15–20 лет минимальные размеры элементов ИС удавалось уменьшать приблизительно в 2 раза за каждые три года. Как считают специалисты, имеются реальные основания ожидать, что эта закономерность будет сохраняться и в ближайшей перспективе.

Кроме фотолитографии, которая на данный момент занимает доминирующее положение, достаточно широко используется и техника экспонирования резистов остросфокусированным пучком электронов  (электронно-лучевая литография). Этот метод практически не имеет ограничений по разрешающей способности, обусловленных явлениями дифракции и не требует использования шаблонов, поскольку сканирование электронного пучка обеспечивается электронными средствами. Решающими факторами, ограничивающими разрешающую способность электронографии, являются процессы рассеяния электронов при их движении в твердом теле, а также экономические соображения, поскольку высокая разрешающая способность может быть обеспечена только при использовании электронных пучков малой плотности, что существенно увеличивает время экспонирования.

Электронографический метод формирования рисунка позволяет создавать в маске резиста рельефы с вертикальными стенками и со стенками, имеющими отрицательный наклон. Величина этого наклона в основном определяется энергией электронов: при больших энергиях электроны пролетают слой резиста, не испытывая большого углового рассеяния и стенки получаются почти вертикальными. Стенки с отрицательным наклоном получаются тогда, когда электроны большую часть своей энергии теряют именно в слое резиста.

Управление углом наклона стенок широко используется для формирования разных по форме рельефов в подложке или находящейся на ее поверхности пленки. В частности, стенки с отрицательным наклоном позволяют реализовывать так называемую обратную или "взрывную" литографию, когда материал пленки наносится после создания рельефа в слое резиста (рис 4.4, б), и удаляется одновременно с этим слоем.

В настоящее время электронолитография достаточно широко используется для создания фотошаблонов и некоторых ИС, выпускаемых небольшими партиями. Предложены и апробированы также методы экспонирования рентгеновским излучением и пучками ускоренных ионов.

В силу ряда осложняющих моментов эти методы пока не нашли широкого применения.

Любой из используемых методов литографии требует высокой плоскостности поверхности пластины. В ряде случае это обеспечивается нанесением на подложку специальных планаризирующих слоев. В этом качестве могут использоваться слои различных материалов, имеющих высокое поверхностное натяжение, в том числе и слои фоторезистов.

Многослойные системы существенно расширяют возможности формирования масок в слое резиста с разными формами боковых стенок.

Травление подложки

Как уже отмечалось, рельефный рисунок в слое резиста чаще всего используется в качестве маски, рисунок которой в следующем процессе переносится на подложку. Селективное удаление немаскированных резистом участков (травление) подложки реализуется использованием реактивов или сред, к которым более или менее устойчив материал резиста.

Различают два основных варианта травления материала подложки. Первый вариант – так называемое изотропное травление – реализуется в том случае, когда скорость травления одинакова по всем направлениям (рис. 4.5, а). Изотропно могут травиться некристаллические и гомогенные по свойствам материалы. В качестве травящего агента могут использоваться различные растворы на основе кислот, щелочей, солей или их смеси. Изотропное травление подложки обеспечивается также использованием соответствующих газовых сред или электронейтральной плазмы, взаимодействующих с материалом подложки с образованием летучих соединений.

Рис. 4.5. Травление:

а – изотропное, б – анизотропное V -образной канавки,

в – вертикальное анизотропное, г – анизотропное ионным пучком

При травлении монокристаллов в принципе реализуется анизотропное травление, поскольку различаются скорости травления разных кристаллографических плоскостей. Например, существует немало травителей для кремния, которые травят наиболее плотно упакованную плоскость (111) во много раз медленнее, чем другие плоскости. Таким образом, можно сформировать, например, V-образные канавки на пластине кремния, поверхность которой совпадает с плоскостью (100) (рис. 4.5, б), или узкие щели на пластинах, у которых поверхность совпадает с плоскостью (110) (рис. 4.5, в).

Строго направленное травление может быть реализовано потоком ускоренных ионов, падающих на подложку в виде хорошо сколлимированного пучка. Механизм распыления может быть механическим (ионное травление) или химическим, при котором на подложку в определенном направлении подается поток химически активных частиц, при взаимодействии которых с подложкой образуются легколетучие соединения. При этом обеспечивается значительное превышение скорости травления в направлении потока ионов над скоростью бокового травления (рис. 4.5, г). Могут быть реализованы и различные промежуточные режимы травления.

Важным показателем, характеризующим процесс травления, является селективность травления разных материалов. Наиболее высокую селективность обеспечивают жидкостные травители. Методы ионного распыления, напротив, отличаются невысокой селективностью: отношение скоростей травления разных материалов обычно не превышает нескольких единиц. Методы ионно-плазменного травления занимают промежуточное положение.

Задание

1. По конспектам лекций, настоящему пособию и рекомендуемой литературе ознакомиться с технологическими маршрутами изготовления биполярных ИС, конструкцией и топологией их отдельных элементов методами формирования топологических рисунков слоев техникой фотолитографии, конструкцией фотошаблонов.

2. Ознакомиться с конструкцией фотошаблонов конкретной ИС определить порядок их использования. (Внимание! Просим Вас обращаться с шаблонами очень осторожно, брать их только за боковые стороны и не класть их на предметный столик микроскопа той стороной, на которой имеется рисунок.)

3. Измерить минимальные размеры элементов рисунка на каждом фотошаблоне.

4. Выяснить местонахождение и конфигурации меток совмещения.

5. Пользуясь одной из программ, поддерживающих работу со слоями, и представленными в виде соответствующих файлов рисунками фотошаблонов, представить топологию всех типов элементов данной ИС.

6. Восстановить электрическую схему выделенного фрагмента ИС. На принципиальной схеме указать связи с контактными площадками для внешних выводов.

Литература

1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1987.

2. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок. М.: Радио и связь, 1989.

3. Готра Ю.З. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. М.: Радио и связь, 1991.

4. Моро У. Микролитография. TI, 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1990.

5. Технология СБИС / Под ред. С. Зи. Т1, 2. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

6. Бубенников А.Н., Садовников А.Д. Физико-технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС. М.: Радио и связь, 1991.