Молекулярно-лучевая эпитаксия

МЛЭ заключается в осаждении испаренных элементарных компонентов на подогретую монокристаллическую подложку.

Сущность молекулярно-лучевой эпитаксии состоит в испарении материала и осаждении его на подогретую монокристаллическую подложку. В нашем случае испаряется кремний, пары которого конденсируются на монокристаллической кремниевой подложке.

Основой установки является вакуумная система. Для обеспечения высокого качества и чистоты растущего эпитаксиального слоя необходимо низкой давление. Этого добиваются, используя безмасляные средства откачки.
Обычно МЛЭ проводят в сверхвысоком вакууме при давлении 10^-6 - 10^-8 Па. Температура подложки составляет 400 - 800 ºС.

Испарение кремния осуществляется за счет нагрева электронным лучом, т. к. температура плавления кремня относительно высока. Постоянная интенсивность потока атомов обеспечивается строгим контролем температуры. Управление потоками атомов кремния и легирующей примеси осуществляется с помощью заслонок. Это позволяет достичь хорошей воспроизводимости процесса и высокой однородности скорости роста и уровня легирования.

Одной из отличительных особенностей МЛЭ является низкая скорость роста пленки: приблизительно 1 монослой/с или 1 мкм/час, что позволяет легко модулировать молекулярные пучки, попадающие на подложку.

Легирование при МЛЭ имеет несколько особенностей. По сравнению с эпитаксией из газовой фазы расширен выбор легирующих соединений, возможно управление профилем легирования. Легирующая примесь может быть как p-, так и n-типа.

После испарения примесные атомы достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку. Наиболее часто применяемые примеси мышьяк As, бор B, сурьма Sb, алюминий Al.

Метод МЛЭ позволяет проводить всесторонний анализ некоторых параметров непосредственно во время процесса выращивания пленки. Большинство промышленных установок МЛЭ содержит оборудование для анализа дифракции отраженных электронов, масс-спектрометр, оже-спектрометр с возможностью исследования оже-спектров распыленных ионов.

Достоинство МЛЭ высокая точность управления ростом пленки и уровнем легирования примеси. Легирование при использовании данного метода является безинерционным (в отличие эпитаксии из газовой фазы), что позволяет получать сложные профили легирования.

МЛЭ используется для изготовления гетероструктур при создании приборов интегральной электроники.

Пленки диоксида кремния

Благодаря своим уникальным электрофизическим свойствам двуокись кремния находит широкое применение на различных стадиях изготовления СБИС.

Слои SiO₂ используются как:

· маска для диффузии легирующих примесей;

· для изоляции отдельных элементов СБИС друг от друга;

· в качестве подзатворного диэлектрика;

· в качестве изоляции в схемах с многослойной металлизацией

· для пассивации поверхности полупроводников;

· как составная часть шаблона для рентгеновской литографии.

Среди преимуществ, обуславливающих использование этого диэлектрика, следует выделить то, что SiO₂ является "родным" материалом для кремния, легко из него получается и удаляется, не растворяется в воде, легко контролируется.

Пленки SiO₂ в микроэлектронной промышленности получают путем окисления кремния. В основном используется термическое сухое и влажное окисление.

Термическое окисление кремния в сухом кислороде проводят при атмосферном Термическое окисление кремния в сухом кислороде проводят при атмосферном давлении и температуре 1100-1200^оС:

 

Si_тв.+ O₂ = SiO₂;

Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении.

Si_тв.+2H₂O = SiO₂ + 2H₂;

По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Скорость образования слоя диоксида до 0,8-1 мкм/час:Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2·10⁶ Па при окислении в парах воды и температуре 900 °С в течение 1 - 2 часов.

Термическое окисление кремния во влажном кислороде является комбинированным процессом, который позволяет создавать слои диоксида кремния оптимальной плотности с минимальным количеством дефектов при максимальной скорости.

Обычно кремний окисляют на специальных установках в три стадии: вначале в сухом кислороде в течении ≈ 15 минут, затем во влажной атмосфере в течении ≈ 1 ч 45 мин и вновь в течении ≈ 1 ч в сухом кислороде для уплотнения образовавшегося слоя SiO₂.

Отметим, что в микроэлектронике наиболее часто используются окислы кремния толщиной в несколько десятых долей микрона а верхний предел по толщине для обычного термического окисления составляет 1 - 2 мкм. В технологии СБИС используются также как более тонкие, так и более толстые пленки SiO₂.

Пленки SiO₂ можно получать при окислении силана при температуре 250-400^оС:

SiH₄+2O₂ = SiO₂+2H₂O

Чистота исходных продуктов позволяет наращивать слои диоксида кремния высокого качества.

Возможны также другие методы получения слоев диоксида кремния, например: пиролитическое разложение тетраэтоксисилана Si(OC2H5)4, плазмохимическое окисление кремния и др. Целесообразность их применения зависит от типов изготавливаемых ИМС, используемых материалов и т.д.

Пленки нитрида кремния Si₃N₄ обладают более высокими, чем слои SiO₂, диэлектрическими свойствами, поэтому их толщина может быть вдвое меньше. Пленки Si₃N₄ получают в результате газофазной реакции при температуре 600-1100^оС:

3SiH₄ + 4NH₃ = Si₃N₄ + 12H₂.

Скорость роста 0,001-0,02 мкм/мин. Однако высокая химическая стойкость слоев Si3N4 затрудняет их травление при фотолитографии. Поэтому используют различные сочетания слоев SiO2 и Si3N4.

Литографические процессы

Неотъемлемой частью технологии изготовления полупроводниковых приборов и ИМС являются процессы литографии.

Фотолитография - это процесс формирования на поверхности подложки с помощью светочувствительного химически стойкого материала рельефного покрытия с изображением элементов ИМС и последующего переноса изображения на подложку.

Основными узлами установки фотолитографии являются фотошаблон и подложка с нанесенным фоторезистом.

Фотошаблон – стеклянная пластина со сформирован-ным на ее поверхности топологическим рисунком ИМС или ее части, не пропускающим оптического излучения. Система элементов на фотошаблоне образует топологию одного из слоев ИМС. Элементы изображения могут многократно повторяються в пределах активного поля фотошаблона.

Фоторезист – сложное полимерно-мономерное свето-чувствительное соединение. Наносится на подложку методом центрифугирования. Фоторезист после обработки имеет высокую стойкость к используемым в техноло-гическом процессе травителям. Фоторезист может быть негативным или позитивным.

У негативного фоторезиста в результате его проявления в органическом растворителе, например толуоле, удаляются незасвеченные участки. У позитивного фоторезиста при проявлении в растворе щелочи, например КОН, удаляются засвеченные участки.

Для экспонирования фотошаблонов используют ультрафиолетовые лампы с длиной волны излучения ≈0,4 мкм.

Для совмещенияе топологического рисунка фотошаблона с предыдущим, вытравленным в кремнии, на фотошаблонах формируются реперные метки.

Основными методами оптического экспонирования являются контактный и проекционный.

Контактная печать. При контактной печати (см. рис.) пластина кремния, покрытая резистом, находится в непосредственном физическом контакте со стеклянным фотошаблоном.

Вследствие тесного контакта между резистом и шаблоном при контактной печати достигаются очень высокие значения разрешения. В пленке позитивного резиста толщиной 0,5 мкм достаточно легко можно воспроизвести элементы схемы размером ≈1 мкм.

При контактной печати возникают повреждения фотошаблона из-за наличия загрязнений и пылинок на поверхности кремниевой пластины. Поэтому после 20-30 экспозиций необходимо менять фотошаблон.

Проекционная фотолитография. Изображение топологического рисунка шаблона проецируется на покрытую фоторезистом подложку, которая расположена на расстоянии нескольких сантиметров от шаблона.

При использовании этих устройств фотошаблон содержит топологию одного кристалла большого размера или нескольких кристаллов малых размеров. Изображение фотошаблона проецируется с уменьшением в десятки раз на поверхность подложки. После экспонирования шаблона подложка перемещается на столике к следующей позиции и процесс повторяется.

Точность фотолитографии

На точность воспроизведения рисунка фотошаблона в фоторезисте влияют следующие факторы:

- Дифракция

- Глубина фокуса объектива

- Стоячие волны (отражение от подложки)

- Отражение света в фоторезисте.

Поэтому возникают искажения профиля распределения интенсивности излучения в фоторезисте (см. рисунок)

Значение этих факторов зависит от методов фотолитографии. При контактной фотолитографии значение этих факторов минимально, а некоторые полностью отсутствуют. Поэтому минимальная ширина линии при контактной литографии составляет 0,1 мкм и получены разрешения 0,001 мкм.

Минимальная ширина линии, которую можно воспроизвести методом проекционной фотолитографии,

где f, D – фокусное расстояние и диаметр входной линзы объектива соответственно; λ – длина волны света; М – коэффициент уменьшения, масштаб. При f=5 см, D=10 см, λ=0,4 мкм и М=10 h_min=0.26 мкм. Поэтому очевидно для повышения разрешения литографии использование излучения с меньшей длиной волны.