Данилина Т.И., Смирнова К.И. и др. Процессы Микро и Нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Т.И.Данилина, К.И.Смирнова

Процессы микро- и нанотехнологии

Учебное пособие

Томск 2004

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

……………………………………………………

2. Получение рисунка интегральных микросхем .………………

2.1. Фотолитография .……………………………………….

2.2. Способы экспонирования ………………………………

2.3. Фотошаблоны и технология их получения ……………..

2.4. Оптические эффекты при фотолитографии …………….

2.5. Методы и технология формирования рисунка тонкопле-

ночных элементов …………………………………..

3. Перспективные методы литографии ……………………………

3.1. Электронно-лучевая литография…………………………..

3.2. Рентгеновская литография ………………………………..

3.3. Ионная литография ………………………………………..

4. Технологические основы пленочной микроэлектроники …….

4.1. Термическое испарение в вакууме ……………………..

4.1.1. Вакуумные напылительные установки …………..

4.1.2. Формирование молекулярного потока …………..

4.1.3. Испарение вещества ……………………….…….

4.1.4. Скорость конденсации …………………………..

4.1.5. Механизм испарения соединений и сплавов ……..

4.1.6. Степень загрязнения пленок при конденсации .…..

4.1.7. Способы испарения………………………………

4.1.8. Практические рекомендации……………………..

4.2. Ионно-плазменное распыление …………………………

4.2.1. Физика ионного распыления …………………….

4.2.2. Модель ионного распыления …………………….

4.2.3. Теории ионного распыления …………………….

4.2.4. Скорость осаждения пленок ……………………..

4.2.5. Получение пленок ионно-плазменным

распылением …..………….………………..……

5. Элементы тонкопленочных ИМС ………………………

5.1. Подложки пленочных ИМС …………………….……..

5.1.1. Материалы подложек ……………………………

5.1.2. Свойства подложечных материалов ……………..

5.1.3. Очистка подложек ……………………………….

5.2. Тонкопленочные резисторы …………………………….

5.2.1. Выбор материалов ……………………………….

5.2.2. Технологические погрешности резисторов ………

5.3. Тонкопленочные конденсаторы ………………………..

5.3.1. Параметры тонкопленочных конденсаторов …. ….

5.3.2. Диэлектрические материалы ……………………..

101

104

107

110

5.3.3. Выбор материала обкладок

………………………

5.4. Тонкопленочные индуктивности …………………..…..

5.5. Проводники и контактные площадки …………………. .

6. Типовые технологические процессы изготовления тонкопле-

ночных ИМС ………………………………….…………….

7. Конструктивно-технологические особенности и элементы по-

лупроводниковых ИМС …………………………….…….

7.1. Структуры элементов полупроводниковых ИМС ……....

7.2. Выбор материала подложек полупроводниковых ИМС …

7.3. Технологические особенности изготовления полупро-

водниковых ИМС ……………………….……………..

8. Легирование полупроводников ………………………………

8.1. Легирование полупроводников диффузией …….. .……..

8.2. Расчет режимов диффузии ………………………..…...

8.3. Расчет профилей распределения примесей при

диффузии………………………………..….……….…

8.4. Технология получения диффузионных

переходов………………………………..………...….

8.5. Контроль параметров диффузионных слоев ………….…

8.6. Технологические погрешности диффузионных

элементов………………………………………..……..

9. Ионное легирование полупроводников ………………………..

9.1. Технологические особенности ионного легирования ……

9.2. Расчет пробегов ионов в твердых телах ………………….

9.3. Распределение внедренной примеси по глубине ………..

9.4. Радиационные дефекты при имплантации ……………….

9.5. Легирующие свойства имплантированных примесей в ар-

сениде галлия …………………………………………….

9.5.1. Формирование ионно-легированных слоев в арсе-

ниде галлия ………………………………………….

9.5.2. Влияние радиационных дефектов на электриче-

ские свойства арсенида галлия …………………….

9.6. Области применения ионного легирования ……………….

10. Эпитаксиальное наращивание полупроводниковых слоев хи-

мическим осаждением из газовой фазы ………………………..

11. Технология получения диэлектрических пленок……………. .

11.1. Диэлектрические слои для полупроводниковых ИМС….

11.2. Термическое окисление кремния……………………….

11.3. Химическое осаждение диэлектрических пленок … ……

12. Металлизация полупроводниковых структур……..………….

13. Типовые технологические процессы изготовления полупро-

111

112

114

117

127

125

131

133

141

151

155

157

160

164

168

172

179

183

189

193

195

214

215

229

230

водниковых ИМС

…………………………

…

………………

13.1. Классификация процессов ………………………….….

13.2. Изготовление биполярных ИМС с изоляцией

переходом …………………………………………..…

13.3. Изготовление биполярных ИМС с диэлектрической

изоляцией ……………………………………………..

13.4.

Изготовление биполярных ИМС с комбинированной

изоляцией ………………………………………………

13.5. Изготовление МДП ИС …………………………………

Заключение ………………………………………………….

Литература …………………………………………………..

233

237

243

244

247

254

256

1. ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется

широким применением интегральных микросхем (ИМС) во всех ра-

диотехнических схемах и аппаратуре. Это связано со значительным

усложнением требований и задач, решаемых радиоэлектронной аппа-

ратурой, что привело к росту числа элементов в ней. Отсюда особо

важное значение приобретают проблемы повышения надежности ап-

паратуры и ее элементов.

Качество и надежность элементной базы интегральных микро-

схем во многом определяются технологией их изготовления. При тех-

нологическом проектировании синтезируется оптимальная структура

технологического процесса обработки и сборки, позволяющая макси-

мально использовать отработанные типовые процессы и обеспечивать

высокую воспроизводимость, минимальные трудоемкость и стоимость

с учетом конструкторских требований. Вследствие сложности и мно-

гостадийности технология ИМС выделилась в самостоятельную науч-

ную дисциплину. Она предполагает совокупность технологических

процессов изготовления, контрольно-измерительных операций, а так-

же физических, химических и механических испытаний, осуществляе-

мых с исходными материалами и полуфабрикатами или отдельными

электронными элементами для получения ИМС, как законченных из-

делий, обладающих заданными параметрами.

На современном этапе развития микроэлектроники используются

два основных вида интегральных микросхем:

1) пленочные интегральные микросхемы;

2) полупроводниковые интегральные микросхемы.

Пленочные ИМС создаются на диэлектрической подложке путем

послойного нанесения пленок различных материалов с одновремен-

ным формированием из них микроэлементов и их соединений.

Полупроводниковые ИМС создаются путем локального воздейст-

вия на микроучастки полупроводникового кристалла и придания им

свойств, соответствующих функциям микроэлементов и их соедине-

ний.

2. ПОЛУЧЕНИЕ РИСУНКА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРО-

СХЕМ

2.1. Фотолитография

Получение рельефа требуемой конфигурации в диэлектрических и

металлических пленках, нанесенных на поверхность полупроводнико-

вых или диэлектрических подложек, является неотъемлемым процес-

сом технологии изготовления интегральных схем (ИС). Он получил

название литографии. Литография основана на использовании особых

высокомолекулярных соединений - резистов, обладающих способно-

стью изменять свои свойства под действием различного рода излуче-

ний - ультрафиолетового (фотолитография), рентгеновского (рентге-

нолитография), потока электронов (электронолитография) и ионов

(ионно-лучевая литография).

Фотолитография состоит в следующем. Чувствительные к свету

соединения фоторезисты (ФР) наносятся на поверхность подложки и

подвергаются воздействию излучения (экспонируются). Использова-

ние специальной стеклянной маски с прозрачными и непрозрачными

полями фотошаблона (ФШ) приводит к локальному воздействию из-

лучения на ФР и, следовательно, к локальному изменению его свойств.

При последующем воздействии определенных химикатов происходит

удаление с подложки отдельных участков пленки ФР, освещенных или

неосвещенных в зависимости от типа ФР (проявление). Создается

защитная маска с рисунком, повторяющим рисунок фотошаблона. Ре-

зисты могут быть как негативными, так и позитивными. После воздей-

ствия экспонирующего облучения растворимость негативных резистов

в проявителе уменьшается, а позитивных увеличивается (рис.2.1).

Фоторезисты - это светочувствительные материалы с изменяю-

щейся под действием света растворимостью. Фоторезисты обычно со-

стоят из трех компонентов:

- светочувствительных веществ;

- пленкообразующих веществ;

- растворителей.

В негативных ФР под действием света протекает реакция фото-

присоединения (фотополимеризации). При фотополимеризации про-

исходит поперечная сшивка молекул полимера, в результате чего они

укрупняются, становятся трехмерными, и их химическая стойкость

возрастает. В негативных ФР на основе поливинилциннаматов (ПВЦ)

полимерной основой является эфир поливинилового спирта, с молеку-

Негативный

Слой

фоторезиста

Позитивный

Излучение

Сшитые области

Шаблон

Разрушенные области

Рельеф

после

проявления

a) б)

Рис.2.1. Схемы процесса фотолитографии с негативным (а)

и позитивным (б) фоторезистами.

лами которого связана коричная кислота, представляющая собой све-

точувствительный компонент (циннамоильная группа). В структуре

коричной кислоты имеются группы с относительно малой энергией

связи

. При воздействии света с энергией кванта

проис-

ходит разрыв связей между молекулами ПВЦ. В результате исходные

молекулярные цепочки ПВЦ образуют трехмерную структуру. Интен-

сивное поглощение света фоторезистом на основе ПВЦ, приводящее к

образованию трехмерной структуры, начинается с длины волны

менее 320 нм. Граница поглощения сдвигается в сторону более длин-

ных волн (360-410) нм при добавлении сенсибилизатора.

Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислото-

стойкость, но они не выдерживают воздействия концентрированной

плавиковой кислоты. Повышенной кислотостойкостью обладают нега-

тивные ФР на основе каучуков с различными добавками. Каучуки не

являются светочувствительными веществами, поэтому в состав ФР

вводят светочувствительные диазосоединения. Под действием света

молекула диазосоединения разлагается с потерей молекулы азота, об-

разуя новые вещества - нитрены, которые вступают в реакцию с мак-

ромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трехмерная

структура.

В позитивных ФР под действием света образуются растворимые

соединения (фоторазложение). Для осуществления этой задачи удоб-

но использовать смеси нафтохинондиазидов (НХД) с фенолформаль-

дегидными смолами в органических раствоворителях. Светочувстви-

тельной основой является НХД, а смола играет роль химически стой-

кого полимера. В результате облучения и разрыва связей образуется

инденкарбоновая кислота. Для завершения деструкции и перевода ки-

слоты в растворимую соль необходимо воздействовать на нее прояви-

телем со щелочными свойствами. При этом проявитель должен рас-

творять и полимерную основу. Необлученные молекулы НХД затруд-

няют, но не исключают полностью растворение основы в щелочных

растворителях на неэкспонированных участках.

Важным компонентом ФР являются растворители, от которых за-

висят стабильность жидких растворов, характеристики нанесения и

качество слоя ФР и др.

Основными параметрами ФР являются светочувствительность,

разрешающая способность, химическая стойкость к травителям

[1,2]. Светочувствительность S - это величина, обратная экспозиции,

т.е. количеству световой энергии, необходимой для облучения ФР,

чтобы перевести его в нерастворимое (негативный ФР) или раствори-

мое (позитивный ФР) состояние

()

EtH

S ==

где H - экспозиция (доза облучения);

E - энергооблученность;

t - длительность облучения (или плотность потока энергии на

поверхность фотослоя).

Критерием светочувствительности ФР служит четкость рельефа

рисунка в его слое после проведения процессов экспонирования и про-

явления. При этом рельеф рисунка должен иметь резко очерченную

границу между областями удаленного и оставшегося на поверхности

подложки слоя ФР.

Негативный ФР можно рассматривать как фоточувствительный

материал с эффективной пороговой энергией Е

. Если энергия фотонов

Е, падающих на резист, меньше пороговой энергии, то резист удаляет-

ся в процессе проявления. Если же ,

EE > то резист становится не-

растворимым в проявителе и получающееся изображение действует

как защитная маска. Величина Е

зависит от многих факторов: типа

ФР, толщины ФР, материала подложки и др. Приблизительная оценка

может быть получена из характеристической кривой резиста - зави-

симости глубины проявления от энергии экспонирования или экспози-

ции H (рис.2.2). Характеристическая кривая представляет собой зави-

симость отношения толщины полимеризованной пленки

d к ее ис-

ходной толщине

d от Hlg [2]. Интенсивные фотохимические реак-

ции для негативного ФР начинаются при экспозиции ,

H что соответ-

ствует пороговой чувствительности ФР

/1 HS

= . При величинах

энергии, превышающих пороговое значение в 2-3 раза растворяется

очень незначительная часть пленки негативных ФР. В качестве крите-

рия светочувствительности

S была выбрана d, составляющая 90 % от

исходной толщины. Это соответствует экспозиции

H и

/1 HS = .

Рис.2.2. Характеристические кривые для негативных (1) и позитивных

(2) ФР

В соответствии с законом Бугера-Ламберта интенсивность света, а,

следовательно, и экспозиция уменьшается с увеличением глубины

проникновения энергии в ФР, т.е. по экспоненциальному закону

(

)

,exp

dHH

где H

- экспозиция на поверхности ФР;

- коэффициент поглощения энергии материалом ФР, зависящий

от длины волны экспонирующего излучения;

d - глубина проникновения энергии в ФР.

Экспозиция на поверхности фоторезиста, при которой он прораба-

тывается на глубину d, будет равна

(

)

,exp

dHH

0,8

0,6

0,4

0,2

lgH

2 1