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.