LS-Sb89583

2.Схему установки ионного легирования; её описание и технические характеристики.

3.Краткое описание методик измерения параметров ионно-легирован- ных слоев.

4.Результаты индивидуальных измерений сопротивлений ионно-леги- рованных слоев; оценка разброса сопротивлений по пластине.

5.Результаты индивидуальных расчетов сопротивлений ионно-леги- рованных слоев.

6.Выводы по работе.

3.5.Контрольные вопросы

1.Укажите особенности ионного метода легирования полупроводников по сравнению с диффузионным методом.

2.Опишите принцип действия установки ионной имплантации и её технические характеристики.

3.Опишите способы управления распределением легирующей примеси при ионном методе легирования.

4.Опишите явление каналирования ионов и борьба с ним.

5.Приведите параметры ионно-легированных слоев и методы их кон-

троля.

Список рекомендуемой литературы

Королёв М. А., Крупкина Т. Ю., Ревелева М. А. Технология, конструкции и мето-

ды моделирования кремниевых интегральных схем. М.: Бином, 2009. С. 127−154.

Технология СБИС / под ред С. Зи. М.: Мир, 1986. Кн. 2. Гл. 6. С. 292−353.

Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств: справочник. М.: Радио и связь, 1991. С. 231 – 261.

Лабораторная работа 4

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

Цель работы: изучение технологии получения диэлектрических пленок на поверхности полупроводниковых пластин методом плазмохимического осаждения и исследование их параметров.

21

4.1.Общие сведения

Вкремниевой планарной технологии имеется необходимость в осаждении низкотемпературных (t < 400 ºC) диэлектрических пленок, способных выполнять функции межслойной изоляции в ИМС с многоуровневой разводкой, и защитного покрытия сформированных чипов с алюминиевой металлизацией, неспособной выдерживать более высокие температуры. Технология осаждения этих низкотемпературных диэлектрических пленок должна обеспечивать воспроизводимое получение толщин пленок в диапазоне 0,5... 2 мкм при достаточно высоком их качестве. Они должны удовлетворять таким требованиям, как высокая однородность по толщине (не хуже

10 %), низкие дефектность и пористость (не более 20 пор/см2), достаточно высокая электрическая прочность (не менее 400 В/мкм). Всем этим требованиям удовлетворяют пленки диоксида кремния, полученные методом плазмохимического осаждения (табл. 4.1).

Химические процессы, протекающие в плазме, имеют своей особенностью образование химически активных частиц в результате передачи молекулам реагентов части энергии электронов и ионов плазмы. В результате образуются ионы, свободные радикалы, метастабильные и возбужденные частицы, которые участвуют в последующих реакциях, проявляя повышенную химическую активность. Наличие химически активных частиц существенно снижает температуру плазмохимических реакций по сравнению с обычными, а также приводит к появлению новых реакций.

Таблица 4.1

Параметры пленок диоксида кремния, полученных различными методами

Метод получения	t, ºC	ρ,		Е	,	V ,	Nпор, (xок),
		г/см3	Kпрел	проб		тр	см−2 (мкм)
				В/мкм		нм/с
Термическое окисле-	1000	2,25	1,46	1500		2	<10, (0,2)
ние Si
Пиролиз тетраэта-	700	22	1,46	1000		3	40, (0,4)
оксисилана (ТЭОС)
Окисление силана	400	2,1	1,44	800		5	60, (0,4
Плазмохимическое	200	2,3	1,47	450		15	20, (1.2)
осаждение

Для получения пленок диоксида кремния используется реакция окисления кремнийорганического соединения гексаметилдисилоксана (ГМДС):

22

С6Н18OSi2 + 12O2 → 2SiO2 + 9H2O + 6CO2.

Скорость осаждения пленки диоксида кремния зависит от расходов ГМДС и кислорода, а также от температуры кремниевой подложки. Плазмохимическая установка позволяет производить очистку пластин непосредственно перед осаждением, например плазмохимическим травлением подложки в кислородной плазме.

4.2. Схема установки

Схема установки плазмохимического осаждения УВП-4АМ представлена на рис. 4.1, а схема коаксиального реактора установки показана на рис. 4.2. Перед подачей рабочего газа производится откачка реактора с помощью форвакуумных насосов 1 (см. рис. 4.1). После достижения разряжения p = 0.5 Па подключается ловушка с жидким азотом и откачка продолжается с помощью диффузионного бустерного насоса 2 до разряжения p = = 0.04 Па. Затем через измеритель расхода 3 и натекатель 4 в реактор пода-

ется рабочий газ − сухой кислород, в котором с помощью генератора высокой частоты 5 зажигается плазма. При последующей подаче гексаметилдесилоксана (ГМДС) происходят его окисление и осаждение пленки диоксида кремния.

Рис. 4.1. Схема установки плазмохимического осаждения

23

Рис. 4.2. Схема коаксиального реактора

Коаксиальный реактор (см. рис. 4.2) защищен колпаком 1, охлаждаемым водой, и имеет экран 2 для защиты оператора от СВЧ-облучения. Плазма зажигается между электродом 3 и подложкодержателем 4, на котором устанавливаются пластины кремния 5. Реагенты поступают через трубку подачи 6, продукты реакции откачиваются через откачной патрубок 7.

4.3.Порядок выполнения работы

1.Получить инструктаж по технике безопасности от руководителя ра-

боты.

2.Ознакомиться с установкой плазмохимического осаждения, её техническим описанием и характеристиками.

3.Получить от руководителя работы задание на режим плазмохимического осаждения диоксида кремния.

4.Подготовить контрольные пластины кремния для плазмохимического осаждения.

5.Загрузить контрольные пластины на подложкодержатель с помощью пинцета.

6.Опустить колпак реактора и начать форвакуумную откачку.

7.По достижении разряжения 0.5 Па подключить ловушку с жидким азотом и начать откачку диффузионным насосом.

8.По достижении разряжения 0.04 Па произвести напуск кислорода и подключить генератор высокой частоты (ГВЧ).

24

9.Обработать пластины в плазме кислорода для очистки поверхности

ипродува.

10.Произвести напуск ГМДС и начать процесс осаждения пленки.

11.По окончании процесса последовательно отключить ГМДС, кислород и ГВЧ.

12.Произвести напуск азота под колпак и поднять его.

13.Перегрузить пластины с подложкодержателя в тару с помощью

пинцета.

14.Измерить толщину полученной пленки цветовым методом.

15.Измерить пористость полученной пленки электрохимическим методом (рис. 4.3) в нескольких точках пластины.

16.Рассчитать среднюю плотность пор и оценить её разброс по пла-

стине

Рис. 4.3. Схема измерения пористости электрохимическим методом: 1 – источник питания (18...20 В); 2 – микроскоп МБС с графитовым электродом; 3 – электролитическая ванна с катодным электродом

17. Сравнить параметры пленок диоксида кремния, полученных методом плазмохимического осаждения и другими методами (см. табл. 4.1).

4.4. Отчет о работе

Отчет о работе должен содержать:

1.Краткие сведения о методе плазмохимического осаждения диэлектрических пленок.

2.Схему установки с её описанием и техническими характеристиками.

25

3.Краткое описание методик измерения параметров диэлектрической

пленки.

4.Результаты индивидуальных измерений и расчетов толщины пленки

иеё пористости.

5.Выводы по работе.

4.5.Контрольные вопросы

1.Каков механизм плазмохимического осаждения диэлектрической пленки диоксида кремния?

2.Укажите рабочий газ и параметры плазмы в реакторе установки плазмохимического осаждения.

3.Опишите способы управления скоростью плазмохимического осаждения диэлектрических пленок.

4.Укажите области применения низкотемпературных диэлектрических пленок в технологии ИМС.

5.Опишите основные параметры плазмохимических диэлектрических пленок и методики их контроля.

Список рекомендуемой литературы

Плазменная технология в производстве СБИС / под ред. Н. Айнспрука и Д. Брау-

на. М.: Мир, 1987. С. 15-471.

Технология СБИС / Под ред С. Зи. М.: Мир, 1986. Кн.1. гл. 3. С. 162−166.

Королёв М. А., Крупкина Т. Ю., Ревелева М. А. Технология, конструкции и мето-

ды моделирования кремниевых интегральных схем. М.: Бином, 2009. С. 73−90.

Лабораторная работа 5

ФОТОЛИТОГРАФИЯ

Цель работы: изучение процесса формирования топологического рисунка на поверхности пластины-подложки методом контактной фотолитографии.

5.1. Общие сведения

Литография представляет собой совокупность физических и фотохимических процессов, необходимых для получения на полупроводниковой пластине топологического рисунка с элементами нужных конфигурации, расположения и размеров.

26

Литографические процессы позволяют получать на поверхности окисленных полупроводниковых подложек свободные от слоя оксида области, задающие конфигурацию полупроводниковых приборов и элементов ИМС, в

которые проводится локальная диффузия примесей для создания p−n-перехо- дов; формировать межсоединения элементов ИМС; создавать технологические маски из резистов, обеспечивающие избирательное маскирование при ионном легировании.

Широкое применение литографии обусловлено следующими достоинствами: высокой воспроизводимостью результатов и гибкостью технологии, что позволяет легко переходить от одной топологии структур к другой сменой шаблонов; высокой разрешающей способностью актиничных резистов; универсальностью процессов, обеспечивающей их применение для самых разнообразных целей (травления, легирования, осаждения); высокой производительностью, обусловленной групповыми методами обработки.

Процесс литографии состоит из двух основных стадий:

1)формирования необходимого рисунка элементов в слое актиночувствительного вещества (резиста) его экспонированием и проявлением;

2)травления нижележащего технологического слоя (диэлектрика или металла) через сформированную топологическую маску или непосредственного использования слоя резиста в качестве топологической маски при ионной имплантации.

В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки диоксида кремния SiO2 и нитрида кремния Si3N4, а в качестве токоведущих дорожек и

межсоединений − пленки металлов Al, Au и Cu.

В зависимости от длины волны используемого излучения применяют следующие методы литографии:

∙	фотолитографию (длина волны ультрафиолетового излучения λ =
= 250 … 440 нм);
∙	рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излучения λ = 0,5

… 2 нм);

∙ электронолитографию (длина волны электронов λ = 0,01…0.1 нм при энергии электронов 0.1...10 КэВ);

∙ ионолитографию (длина волны ионов примерно в 50 раз меньше длины волны электронов той же энергии).

Отметим, что минимальный размер элементов топологического рисунка (проектная норма) помимо длины волны определяется процессами рассе-

27

яния энергии излучения, толщиной и разрешающей способностью резиста. В зависимости от способа переноса изображения методы литографии

могут быть контактными и проекционными, а также созданы непосредственной генерацией всего изображения или мультипликации единичного изображения.

Основными инструментами контактной фотолитографии являются:

∙ фотошаблон − шаблон, образец, содержащий информацию о размерах, расположении, конфигурации и т. д. получаемых изображений. Чаще всего для этой цели используются пластинки из оптического стекла с полученными фотографическим или иным способом непрозрачными элементами;

∙ фоторезисты − светочувствительные материалы с изменяющейся по действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку. Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят светочувствительные и пленкообразующие (чаще всего, это различные фенолформальдегидные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

Впроцессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при последующем травлении.

Сущность процесса фотолитографии заключается в следующем (рис. 5.1). На поверхность материала 1 (полупроводник, диэлектрик или металл) наносят тонкий слой фоторезиста 2. При создании защитного рельефа фоторезист освещают через фотошаблон – кварцевую пластину 3, на одной поверхности которой предварительно создан контрастный рисунок, состоящий из прозрачных 4 и непрозрачных 5 участков. Под действием света в освещаемых участках фоторезистивного слоя протекают фотохимические реакции,

врезультате которых эти участки изменяют свои свойства.

Взависимости от механизма протекающих в фоторезисте фотохимических реакций и особенностей изменения его свойств фоторезисты делят на негативные и позитивные. При облучении негативного фоторезиста через фотошаблон в освещаемых участках фоторезиста протекают процессы, приводящие к потере их растворимости в соответствующих растворителях (проявителях). В результате этого после обработки в них удаляются только необ-

28

лученные участки, расположенные под непрозрачными элементами фотошаблона (см. рис. 5.1, а). При этом на подложке образуется защитный рельеф, повторяющий негативное изображение фотошаблона. В позитивных фоторезистах под действием света в освещаемых участках протекают фотохимические реакции, приводящие, наоборот, к усилению их растворимости в соответствующих проявителях. В результате этого после обработки в них удаляются (вымываются) только облученные участки фоторезиста и защитный рельеф повторяет позитивное изображение фотошаблона (см. рис. 5.1,

б).

Собственно процесс фотолитографии на этом, как правило, заканчивается. Последующее использование защитного рельефа в зависимости от типа изделия, подлежащего обработке, заключается в травлении материала технологического слоя или подложки на незащищенных фоторезистом участках или в наращивании того или иного материала на данных участках, например в электрохимическом осаждении металла на эти участки.

Рис. 5.1. Контактная фотолитография с использованием: а – негативного фоторезиста; б – позитивного фоторезиста

Рассмотрим подробнее сущность основных процессов фотолитографии. Основные этапы контактной фотолитографии следующие.

1. Адгезионная обработка – обработка подложки, улучшающая сцепление слоя резиста с подложкой. Для этого могут быть использованы про-

29

стая очистка (обезжиривание) поверхности; термообработка 15...20 мин при

160 °С или 10 мин при 800 °С, нанесение связующего подслоя осаждением паров гексаметилдесилоксана (ГМДС).

2. Нанесение и сушка фоторезиста (ФР):

·нанесение – операция, предусматривающая создание на пластине равномерного по толщине слоя фоторезиста (ФП 9120-1.8) методом центрифугирования на установке Лада-125. Пластина закрепляется на столике центрифуги вакуумом и вращается со скоростью от 2,5 до 5 тыс. об./мин. Cверху

вцентр пластины подается небольшое количество фоторезиста, который под действием центробежной силы распределяется по всей поверхности пластины, что позволяет получить на ней равномерную пленку фоторезиста толщиной от 1,4 до 2,4 мкм;

·cушка – окончательное формирование пленки фоторезиста с целью удаления растворителя, входящего в состав ФР. Сушка выполняется с помощью источников инфракрасного излучения, для которого фоторезист является прозрачным, а следовательно, поглощение излучения с выделением тепла

происходит на границе ²пластина – фоторезист². Поэтому сушка протекает от нижних слоёв фоторезиста к верхним, обеспечивая свободное испарение растворителя. Во избежание преждевременной полимеризации (задубления) фоторезиста и потери им чувствительности температура сушки должна быть умеренной (100…110 °С; 6 ... 13 мин).

3. Совмещение и экспонирование – совмещение рисунка шаблона и пластины с последующим облучением незащищенных областей фоторезиста ультрафиолетовым светом на установке совмещения и экспонирования (рис. 5.2). В данной работе используются установки типа ЭМ-576А, ЭМ-5006 (λ =

=430 нм). Процесс совмещения включает три этапа:

1)предварительную ориентацию по базовому срезу, обеспечивающую на границах модулей групповой пластины наивыгоднейшую с точки зрения качества разделения пластины на отдельные кристаллы кристаллографическую плоскость;

2)предварительное грубое совмещение по границам крайних модулей, имеющее целью исключить разворот пластины и фотошаблона относительно вертикальной оси Z;

3)точное совмещение, исключающее смещение рисунков фотошаблона и пластины по осям X и Y. Для этого используют специальные знаки совмещения с контролируемым зазором, которые входят в состав топологиче-

30