ЭКТ - 5 / ОТЭКБ 25-36

25) По типу излучения литографию делят на оптическую (фотолитографию), рентгеновскую и электронную. В фотолитографии используют ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 200 до 450 нм, в рентгенолитографии - мягкое рентгеновское излучение с длиной волны 0,5 - 1,5 нм и в электронолитографии - электронное излучение с длиной волны 0,01 нм. Чем меньше длина волны излучения, тем меньшие размеры элементов рисунка, ограничиваемые эффектами дифракции, возможно получить. Фотолитография характеризуется минимальным размером элементов, равным 0,2 мкм, рентгенолитография обеспечивает размер 0,05 мкм, электронолитография - до 0,001 мкм. Эти цифры относятся к предельным показателям; реально достижимые технологические нормы для фотолитографии, например, намного отличаются от предельных; в настоящее время для фотолитографического процесса принимают минимальные размеры 0,5 - 0,8 мкм.

26) У позитивного резиста в результате воздействия излучения (экспонирования) увеличивается растворимость полимера, его молекулы сшиваются поперечными цепочками. Если подложку, покрытую позитивным резистом, опустить в растворитель, то экспонированные участки вымываются, а неэкспонированные образуют рельеф или резистивную маску заданной конфигурации.

В технологический цикл прямой фотолитографии входят следующие операции:

- обработка подложки - очистка от загрязнений и увеличение адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

- нанесение слоя фоторезиста;

- ИК сушка слоя фоторезиста;

- экспонирование через шаблон с топологическим рисунком; если фотошаблонов несколько (комплект), то перед экспонированием выполняют совмещение рисунка очередного фотошаблона с рисунком, оставшимся на подложке от предыдущего фотошаблона;

- проявление и образование рельефа из резиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

- ИК сушка рельефа из резиста.

Дальнейшая последовательность операций зависит от поставленной цели и связи с другими технологическими процессами. Обычно следует травление окисной маски. Заключительной операцией прямой фотолитографии является удаление рельефа из резиста после того, как он выполнил свою роль.

27) Разрешающая способность R = N/2l - умещающееся на 1 мм число N полос фоторезиста, разделенных промежутками такой же ширины l. Часто используется термин "выделяющая способность", т.е. способность передавать отдельные малые размеры. Разрешающая или выделяющая способность зависит от многих технологических факторов; конечная задача сводится к получению резкодифференцированной границы между неэкспонированным и экспонированным участками слоя резиста, минимально изменяющейся при проявлении и термообработке.

Необходимо различать разрешающую способность фоторезиста и процесса фотолитографии в целом. Так, при разрешающей способности резиста до 1000 лин/мм разрешающая способность процесса не будет превышать 500 - 600 лин/мм из-за искажения рисунка вследствие различных физических эффектов, возникающих при экспонировании. В результате при контактной фотолитографии на границе рисунка образуется небольшой "ореол" сшитого (или, напротив, вытравленного) резиста. После проявления он остается лишь на участке, непосредственно прилегающем к пластине. Это наиболее значительно уменьшает разрешающую способность негативных резистов. Позитивные резисты при проявлении размягчаются и "прилипают" к подложке в подтравленных местах, залечивая их.

28) Процесс обратной фотолитографии на примере формирования металлической разводки включает:

- обработка подложки - очистка от загрязнений и увеличение адгезии наносимого фоторезиста к поверхности;

- нанесение слоя фоторезиста;

- ИК сушка слоя фоторезиста;

- экспонирование через шаблон с топологическим рисунком;

- проявление и образование рельефа из резиста (маски), повторяющего рисунок шаблона;

- ИК сушка рельефа из резиста;

- напыление на рельеф из фоторезиста слоя металла;

- удаление рельефа с участками металла ("взрыв") в растворителе, не влияющем на металл.

Обратная фотолитография обычно применяется в двух случаях:

• материал подложки не травится вообще или травится в составах, которые не выдерживает резист (например, керамическая подложка, травление золота в царской водке);

• подложка представляет многослойную тонкопленочную структуру, а процесс травления неселективен, т.е. при травлении верхнего слоя процесс не прекращается на поверхности нижележащего слоя.

29) В первых образцах ИС соединения между компонентами осуществлялись с помощью тонких проволочек, присоединяемых к контактным участкам методом термокомпрессии, но такие соединения были дорогими и нетехнологичными.

После появления планарной структуры ИМС межсоединения стали выполняться с помощью тонких металлических пленок, нанесенных на изолирующий слой SiO₂.

Для осуществления коммутации в ИС можно использовать следующие материалы: Au, Ni, Pb, Ag, Cr, Al, а также системы Ti - Au, Mo - Au, Ti - Pt - Au и т.д.

К системам металлизации ИС предъявляются следующие требования:

• высокая проводимость ( < 10^–6 Омсм);

• хорошая адгезия как к Si, так и к SiO₂;

• способность к образованию качественного омического контакта с кремнием n- и p-типов;

• отсутствие вредных интерметаллических соединений или протекания реакций, разрушающих кремний в процессе обработки и эксплуатации системы;

• технологичность методов осаждения и нанесения рисунков;

• устойчивость к электродиффузии в металле;

• металлургическая совместимость со сплавами, которые применяются для присоединения внешних проводов к металлизированной схеме.

Наиболее удобным, простым в изготовлении и дешевым материалом для металлизации ИМС является алюминий, который обычно наносят методом испарения в вакууме.

30) Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

- быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

- обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

- иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

- обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

- представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

- не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

- обеспечивать проведение фотолитографии;

- глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

31) Положительные свойства алюминия:

- высокая электропроводность, близкая к электропроводности объемного алюминия; легкость испарения в вакууме и чистота испаряемой пленки;

- хорошая адгезия к кремнию и окислам дает возможность изготовления однослойной металлизации, что значительно упрощает технологию производства и уменьшает стоимость ИМС;

- алюминий пластичен и стоек к циклическим изменениям температуры;

- алюминий образует прочные контакты при креплении золотой или алюминиевой проволоки к его пленке методами термокомпрессии.

Однако наряду с положительными свойствами, алюминий имеет ряд недостатков, которые ограничивают использование его для металлизации. К ним относятся:

- мягкость и, следовательно, легкость повреждения алюминиевой пленки;

- появление пустот в пленке вследствие электродиффузии при меньших, чем для других металлов, плотностях тока;

- возможность короткого замыкания через диэлектрическую пленку в системах с несколькими уровнями металлизации из-за образования выступов при электродиффузии или низкотемпературной рекристаллизации пленок;

- возникновение коррозии вследствие гальванического эффекта при одновременном использовании других металлов;

- взаимодействие с SiO₂ при низких температурах (начиная от комнатной и выше), что может приводить к нестабильности, особенно в МДП интегральных схемах;

- способность образовывать хрупкие соединения с золотом, что может снижать электропроводность и приводить к отказам в случае термокомпрессионного крепления выводов.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающим на частотах до 1 ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

32) Силициды металлов могут быть получены либо при осаждении металла на кремний с последующим отжигом, либо при одновременном распылении (сораспылении) кремния и тугоплавкого металла, например, с использованием магнетронного распыления.

При напылении металла и последующем его вжигании в кремний образующиеся силициды могут иметь три модификации: Me₂Si с температурой образования примерно 200 С, MeSi (моносилицид) с температурой образования 400 - 500 С и MeSi₂ (дисилицид) с наибольшей (более 600 С) температурой образования.

Две первые модификации силицидов металлов растут по параболическому закону: квадрат толщины пленки x² пропорционален времени вжигания t. В этом случае атомы металла диффундируют в кремний по междоузлиям, что приводит к ослаблению ковалентной связи в полупроводнике в случае большой концентрации металлических атомов. При более высокой температуре (выше 600 С) отрыв атома кремния может происходить на его поверхности на границе с металлом в энергетически слабых точках, например, на ступеньках, за счет увеличения энергии атомов под влиянием тепловых колебаний. Рост силицида ограничивается поступлением атомов кремния, скоростью разрыва связей Si - Si, т.е. реакцией с металлом на границе раздела. Поэтому рост силицида идет по линейному закону: x пропорциональна t, и в диффузионном потоке преобладают атомы кремния.

33) К многослойным системам предъявляются дополнительные требования. Осаждаемый диэлектрик (обычно SiO₂) должен обладать хорошей адгезией к напыленной перед ним металлической пленке, силициду металла и поликристаллическому кремнию. Нанесенная пленка диэлектрика должна полностью покрывать пленку и образовавшиеся после фотолитографии ступеньки. Контакт между первым и вторым слоями металла или других материалов должен быть низкоомным.

При использовании многослойной разводки в интегральных схемах нельзя применять в качестве проводящего слоя только алюминий, так как за счет взаимодействия с диэлектрическими слоями, между которыми он наносится, проводимость пленки будет со временем уменьшаться, могут появиться отдельные непроводящие участки или разрывы в металлизации. Вследствие этого при многослойной разводке используется обычно и многослойная металлизация. В качестве первого слоя, как указывалось ранее, могут быть выбраны платина, титан, молибден и их силициды. Задача этого слоя - обеспечить омический контакт к Si, хорошую адгезию к кремнию и окислу. Второй слой - проводящий - создается напылением золота, алюминия, серебра. Для изоляции от нанесенных поверх металла диэлектрических слоев наносится третий слой - изолирующий. В качестве металла третьего слоя могут использоваться платина, хром, титан, тантал, молибден или ванадий.