Формирование проводящих пленок

Проводящие пленки широко используются для осуществления соединений меж­ду элементами ИМС, создания обкладок конденсаторов, резисторов и т. д. Суще­ствует несколько способов получения пленок.

Термическое вакуумное напыление заключается в создании направленного потока паров напыляемого материала и последующей конденсации их на поверхности подложки. Процесс происходит в вакуумных камерах, где происходит нагрев ис­паряемого вещества. Испарившиеся частицы, диффундируя, перемещаются к под­ложке и оседают на ее поверхности. Глубокий вакуум необходим для того, чтобы исключить столкновение частиц напыляемого вещества с молекулами газа и обес­печить получение пленок с равномерной толщиной.

Катодное распыление основано на явлении разрушения катода при бомбардиров­ке его ионами разреженного газа. Процесс происходит в заполненной инертным газом вакуумной камере, в нижней части которой расположен катод-мишень, яв­ляющийся источником напыляемого вещества, а в верхней части — металличес­кий анод, на котором располагают подложки. Анод заземляют, а на катод подают отрицательное напряжение (2-5 кВ), в результате чего возникает газовый тлею­щий разряд. Положительные ионы, образующиеся вследствие ионизации газа электронами, ускоряясь в сильном электрическом поле, выбивают из катода элек­троны, необходимые для поддержания разряда, а также атомы, которые диффун­дируют к аноду и оседают на подложке. Таким способом можно также напылять диэлектрические материалы. В этом случае напыление ведется при подаче на ка­тод переменного напряжения с частотой 13,56 МГц: в отрицательный полупери­од происходит распыление материала и накопление на катоде положительного заряда, в положительный полупериод — нейтрализация накопленного заряда электронами. Недостатком катодного распыления в сравнении с термическим напылением является низкая скорость нанесения покрытий.

Ионно-плазменное напыление, являясь разновидностью катодного распыления, происходит при более низком давлении в плазме несамостоятельного дугового разряда, что позволяет повысить скорость напыления пленок и получить более чистые пленки. Напыление осуществляется в вакуумной камере 1 (рис. 6.38), в нижней части которой расположен вольфрамовый катод 2, а в верхней — анод 3, на который подается положительное напряжение около 100 В, вследствие чего между катодом и анодом возникает дуговой разряд. Мишень 4 является источни­ком напыляемого материала; на нее подается отрицательный потенциал (поряд­ка 1-3 кВ), вследствие чего из плазмы дугового разряда вытягиваются положи­тельные ионы, которые обладают энергией, достаточной для распыления атомов материала мишени. Выбитые из мишени атомы движутся преимущественно в направлении, перпендикулярном ее поверхности, и осаждаются на поверхности подложки 5, закрепленной на подложкодержателе 6.

Осаждение пленок материалов из водных растворов применяют для получения сравнительно толстых проводящих пленок (20 мкм и более). Существует несколь­ко разновидностей такого способа получения проводящих пленок, в основе кото­рых лежат реакции, протекающие в водных растворах солей металлов.

Наиболее часто применяется электролитическое осаждение, которое происхо­дит в специальных электролитических ваннах, заполненных электролитом и содержащих два электрода: катод и анод. Катодом является подложка с пред­варительно созданной на ней тонкой проводящей пленкой. Анод обычно изго­товляют из того же материала, из которого осаждается пленка. Таким способом создают пленки из меди. В этом случае используется водный раствор медного купороса. При приложении к электродам напряжения происходит разложение электролита на ионы. Положительный ион меди движется к катоду, отбирает недостающие два электрона, превращается в нейтральный атом и оседает на по­верхности катода:

Cu⁺⁺ + SO₄^-- + 2е = Cu° ↓ + S O₄^--.

Одновременно с этим на аноде атом меди отдает два электрона и переходит в ра­створ в виде положительного иона:

Cu° + S O₄^-- = Сu⁺⁺ + S O₄^-- + 2е.

Так происходит перемещение атомов меди с поверхности анода на поверхность катода.

Травление

Травлением называют операцию удаления поверхностного слоя подложки. Трав­ление применяется для очистки поверхности подложек от различного рода за­грязнений, удаления слоя SiO₂, а также для создания на поверхности подложки канавок и углублений. Различают жидкостное и сухое травление.

Жидкостное травление кремния происходит на границе твердой и жидкой сред. В его основе лежит химическая реакция жидкого травителя и твердого тела, в ре­зультате которой образуется растворимое соединение. В качестве травителей ис­пользуют либо кислоты, либо щелочи. Кислотное травление применяют при под­готовке пластин кремния к изготовлению структур микросхем с целью получения зеркально гладкой поверхности пластин. Для этой цели обычно используют смесь азотной и фтористо-водородной кислот, при воздействии которых на кремний происходит суммарная реакция

Si + 2HNO₃ + 6HF = H₂SiF₆ + 2HNO₂ + 2Н₂О,

Для удаления слоя SiO₂ используют плавиковую кислоту, которая переводит оксид кремния в тетрафторид кремния:

SiO₂ + 4HF = SiF₄↑ + 2Н₂О.

Для создания на поверхности кремния канавок и углублений применяют щелоч­ное травление, используя для этой цели водные растворы гидрооксида калия или натрия. Суммарная реакция щелочного травления кремния имеет вид

Si + 2КОН + Н₂0 → KSiO₃ + 2Н₂.

Локальное травление, применяемое для получения отверстий в пленке SiO₂ и углуб­лений в подложке, осуществляют через маску. Оно может быть изотропным и ани­зотропным. Изотропное травление идет с одинаковой скоростью как вглубь крис­талла, так и под маску (рис. 6.39, я), в результате чего размер вытравленного отверстия оказывается больше, чем размер отверстия в маске. Анизотропное травление про­исходит с разными скоростями в различных направлениях: в направлении [111] она минимальна, так как в этом направлении максимальна плотность атомов, а в на­правлении [100] скорость травления в 10-15 раз больше. При анизотропном трав­лении в зависимости от поверхностной кристаллографической ориентации можно формировать канавки прямоугольной или V-образной формы (рис. 6.39, б и в).

Cухое травление производят в вакуумных установках в плазме газового разряда. При ионном травлении поверхность кремния бомбардируется потоком ионов инертного газа (аргона), в результате чего происходит распыление кремния. Эффективность распыления оценивается коэффициентом распыления, который численно равен количеству атомов вещества, распыленных одним бомбардиру­ющим ионом. Более прогрессивным является плазмохимическое травление, основанное на использовании химически активных'частиц, получаемых в плазме газового разряда, которые, взаимодействуя с поверхностным слоем пластины, спо­собны образовывать летучие соединения, удаляемые путем откачки. Наиболее часто для удаления SiO₂ применяют газообразный четырехфтористый углерод CF₄, который в плазме распадается на химически активные частицы — возбуж­денный атом фтора F^• и положительно заряженный радикал СF₃⁺:

CF₄ + e → CF₃⁺ + F' + 2e.

Фтор взаимодействует с SiO₂, в результате чего образуется SiF₄:

SiO₂ + 4F^• ->Si F₄↑ + О₂↑.

Ионно-химическое травление сочетает достоинства ионного и плазмохимического травления. При этом способе травления физическое распыление интенсифи­цирует химические реакции, а химические реакции, ослабляя межатомные связи на поверхности подложки, увеличивают скорость распыления.

Литография

Литографией называют процесс формирования требуемой конфигурации элемен­тов интегральных схем. Существует несколько разновидностей этого процесса.

Фотолитография основывается на использовании светочувствительных матери­алов — фоторезистов, которые могут быть негативными и позитивными. Нега­тивные фоторезисты под действием света полимеризуются и становятся устой­чивыми к травителям. В позитивных фоторезистах свет, наоборот, разрушает полимерные цепочки.

При производстве ИМС пленку фоторезиста наносят на поверхность маски, которой может быть пленка SiO₂, металлическая пленка или металлическая плас­тина. Необходимый рисунок элементов ИМС получают путем облучения фото­резиста светом через фотошаблон (рис. 6.40, а), представляющий собой прозрач­ную пластинку, на одной из сторон которой имеется позитивный или негативный рисунок элементов ИМС в масштабе 1:1. После облучения светом неполимери-зованные участки фоторезиста удаляются, в результате чего образуется фото-резистивная маска с отверстиями (рис. 6.40, б), через которые осуществляется локальное воздействие на полупроводниковый кристалл или диэлектрическую подложку ГИМС. Таким воздействием может быть внедрение примеси, травле­ние, напыление и т. д. Поскольку элементы ИМС формируются в определенной последовательности, то процесс фотолитографии повторяется многократно с ис­пользованием нескольких фотошаблонов. При этом рисунок каждого последую­щего фотошаблона должен быть точно совмещен с ранее созданным рисунком элементов микросхемы. Для этого на каждом фотошаблоне имеются специальные знаки в виде квадратов, треугольников и т. д.

Созданию фотошаблонов предшествует топологическое проектирование микро­схемы, результатом которого является создание в увеличенном масштабе (100:1; 200:1; 500:1 или 1000:1) послойных топологических чертежей — фото оригиналов, вычерчиваемых с помощью специальных устройств — координатографов, работающих в автоматическом режиме в соответствии с программой ЭВМ.

Следующим этапом является фотографирование оригинала с уменьшением в 20-50 раз. В результате получают промежуточный фотошаблон. После этого осуществляют фотографирование с уменьшением и мультипликацией рисунка, получая в итоге эталонный фотошаблон с матрицей одинаковых рисунков в мас­штабе 1:1. С эталонного шаблона методом контактной печати изготавливают ра­бочие фотошаблоны.

Важнейшим параметром фотолитографии является разрешающая способность, которая оценивается максимальным числом раздельно воспроизводимых парал­лельных линий в пределах 1 мм. Минимальная ширина линии Δ определяет ми­нимальные размеры областей в кристалле или на его поверхности. Величина Δ ограничивается дифракцией света, не позволяющей получить Δ меньше длины волны (для видимого света λ ≈0,5 мкм). На практике облучение фоторезиста про­водят ультрафиолетовыми лучами, имеющими λ ≈0,310-0,450 мкм.

Повысить разрешающую способность литографии можно, применяя излучения с более короткой длиной волны, например, рентгеновские лучи с длиной волны 0,4-5 нм. Таким способом получают Δ ≈ 0,1 мкм.

Электронно-лучевая литография базируется на облучении электронорезиста по­током электронов. Она может быть проекционной и сканирующей. .

В проекционной литографии на пути потока электронов ставится маска с отвер­стиями, выполненными в увеличенном масштабе (10:1). Посредством фокусиру­ющей системы уменьшенное электронно-оптическое изображение маски проеци­руется на подложку, на поверхность которой нанесен слой электронорезиста. При этом удается получить размер элементов до 0,25 мкм.

В сканирующей литографии по поверхности электронорезиста перемещается остросфокусированный электронный луч, включающийся и выключающийся по заданной программе. Минимальный размер элемента составляет 0,1-0,2 мкм, он ограничен минимальным диаметром луча.

В ионно-лучевой литографии используется облучение резиста потоком ионов. Она может быть проекционной и сканирующей. При этом удается уменьшить размер элементов до 0,01-0,03 мкм. Ионно-лучевая литография позволяет наря­ду с экспонированием осуществлять очистку поверхности, травление, нанесение пленок. Она совместима с ионным легированием.