При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание l становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин травления) имеет форму дуги (Рисунок 5, а). Клин травления зависит от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости его поверхности травителем.

В состав любого травителя, как правило, входят следующие компоненты:

• окислитель - для образования оксидов на поверхности технологического слоя;

• растворитель - для растворения и удаления образовавшихся оксидов;

• замедлитель и ускоритель реакции.

Результатом процесса травления является полное стравливание материала на участках, не защищенных фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного защитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и клин травления определяются

т ипом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала.

Рисунок 5. Профили элементов рельефного рисунка после травления:

а - жидкостного, б - ионно-химического, в, г - плазмохимического; 1 - слой фоторезиста, 2 - технологический слой.

Травление технологических слоев. Наиболее широко в процессах химического травления при фотолитографической обработке используют травители, представляющие собой слабые кислотные растворы. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процессов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.

Для травления пленок диоксида крем-ния SiO2 применяют плавиковую кислоту и травители на ее основе. Процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 +4HF => SiF4 + 2Н2О

Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO2 применяют так называемый "буферный" травитель с замедляющими добавками фторида аммония NH4F. В этом случае процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 + 4HF + 2NH4F => (NH4) 2 SiF6 + 2H2O

В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч.48% -ной плавиковой кислоты, 7 ч.40% -ного водного фтористого аммония и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления пленки SiO2, но при этом ухудшается качество вытравленного рельефа. При увеличении концентрации фтористого аммония уменьшается скорость травления и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная температура травителя 20 OС. Повышение температуры травителя увеличивает скорость травления, но ухудшает качество рельефа.

Для травления пленок нитрида кремния Si3N4 используют травитель на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4 с добавками фосфорного ангидрида Р2О5. Оптимальная температура травителя до 180 - 200 °С. Так как при травлении при высоких температурах резко снижаются защитные свойства фоторезиста, пленку Si3N4 защищают тонким слоем SiO2 (~ 0,2 мкм). В этом случае травление сначала проводят в буферном травителе, а затем приступают к травлению нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в качестве защитной маски.

Окончание процесса травления устанавливают в момент перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состояния в гидрофобное, т.е. когда обнажившийся кремний перестает смачиваться травителем.

При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возможны различные виды брака, обусловленные следующими причинами. Так, растравливание, характерным признаком которого является появление интерференционных кругов под слоем фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением межоперационного времени хранения подложек, плохой адгезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов проявления и задубливания, завышенным временем травления, некачественным травителем.

Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение режима задубливания, увеличение межоперационного времени хранения подложек.

Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит из-за его сильного легирования и высокой поверхностной концентрации примеси, попадания окислителей (например, HNO3) в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой пленки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет толщину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание. Тонкая (60 - 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах, не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно влиять на параметры последующих диффузионных слоев. Причинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное время травления, а также неравномерное травление окон в разных точках площади подложек.

При изготовлении металлизированной разводки и формирования контактных площадок фотолитографию проводят по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, нихрома и др.) •

Для травления пленок алюминия применяют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °) травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок негативных фоторезистов используют 20% -ный раствор КОН или NaOH. При температуре 60 - 90 ° С травление происходит с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности контура рельефа до 0,5 - 1 мкм. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 2NaOH + 6Н2 О - > 2Na [Аl(ОН) 4] + ЗН2

При использовании в качестве масок позитивных фоторезистов для травления алюминия используют травители на основе ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 6Н3РО4 - > 2Аl(Н2РО4) 3 + 3H2

Более часто применяют травитель, состоящий из смеси ортофосфорной, азотной, уксусной кислот и воды.

Травление в кислотных травителях идет при температуре около 40 "С и сопровождается бурным газовыделением, что также приводит к неровностям контура рельефа.

Наилучшее качество травления получают, используя травитель на основе хромового ангидрида Сг2О3, фторида аммония NH4F и воды. При комнатной температуре скорость травления составляет 0,7 мкм/мин. Кроме того, применяют травитель, состоящий из хромового ангидрида Сг2О3, фторида аммония NH4F, ацетата кадмия Cd(CH3COOH) 2, водорастворимого крахмала и воды. При использовании этого травителя не требуется нагрев, отсутствует газовыделение и неровность контура рельефа не превышает 0,3 мкм.

При травлении пленок алюминия возможен такой брак, как изменение (уменьшение) линейных размеров элементов, что может быть вызвано следующими причинами: применением некачественного фоторезиста; нарушением режима его задубливания или плохой адгезией к алюминию; увеличением межоперационного времени хранения; неправильным соотношением компонентов в травителе; превышением температуры и времени травления; изменением размеров элементов рисунка после проявления.

До обработки партии подложек проводят травление контрольной подложки. При несоответствии размеров элементов рисунка заданным необходимо прежде всего проверить режим задубливания, качество проявленного рельефа, температуру и состав травителя.

Иногда пленки алюминия при травлении окисляются и темнеют их отдельные участки, что можно объяснить электрохимическими процессами, происходящими в системе Al - Si - р-n-переход - травитель. Для устранения этого явления обратную и боковые стороны подложек покрывают фоторезистом, чтобы изолировать их от травителя.

Остатки невытравленного алюминия в виде перемычек могут привести к замыканию параллельных проводников одного уровня. Причинами этого могут быть: некачественное проявление (недопроявление) слоя фоторезиста; нарушение режимов его задубливания (заплывание фоторезиста при повышенной температуре задубливания); дефекты в фотошаблоне. Последующим дотравливанием, как правило, не удается ликвидировать эти перемычки. Поэтому такой брак можно устранить только повторной фотолитографией.

Для травления пленок золота применяют смесь концентрированных соляной НС1 и азотной NHO3 кислот в соотношении 3: 1 (царскую водку), а также травитель, состоящий из йодистого калия KI, иода I2 и воды в соотношении 4: 1: 1.

Для травления пленок серебра используют травитель, в который входят нитрат железа Fe (NO3) 2, раствор йодистого калия KI и иода I2 в воде.

Для травления пленок молибдена применяют состав из ферроцианида калия, серной и азотной кислот либо смесь ортофосфорной, азотной и уксусной кислот.

Для травления пленок тантала используют смесь нитрата железа, концентрированной плавиковой и азотной кислот, а пленки нихрома травят в соляной кислоте.

В полупроводниковых ИМС высокой степени интеграции электрические соединения часто выполняют в виде многослойной металлизации - двойных проводящих cлое в (например, молибден - золото, титан - алюминий). В этом случае рельеф вытравливают с помощью селективных тра-вителей последовательно в двух различных составах: в первом вытравливают пленку верхнего слоя, а во втором - нижнего.

Так, для получения рельефа в двухслойной системе молибден - золото; в которой нижний молибденный слой имеет толщину 0,2 мкм, а верхний - слой золота - 0,4 мкм, подложки последовательно обрабатывают в травителях для золота и молибдена. В травитель для золота входят этиленгликоль, йодистый калий, иод и вода, а в травитель для молибдена - этиленгликоль, азотная кислота и хлорное железо.

Основными параметрами режима травления, от которых зависят как его скорость, так и воспроизводимость размеров получаемых рельефов, являются время травления, температура и концентрация травителя. Так, с повышением концентрации травильной смеси и Температуры скорость травления растет. Увеличение времени травления приводит к боковому подтравливанию рисунка, причиной которого может быть также рост температуры травителя.

Удаление слоя фоторезиста. Для удаления фоторезистивной маски подложки обрабатывают в горячих органических растворителях (диметилформамиде, метилэтилкетоне, моноэтаноламине и др.). При этом слой фоторезиста разбухает и вымывается. Скорость и чистота удаления фоторезиста зависят от степени его, задубливания при второй термообработке.

При высоких температурах задубливания (более 140 - 150 °С) в слое фоторезиста происходят термореактивные превращения, в результате которых он теряет способность растворяться в органических растворителях. В этом случае подложки два-три раза кипятят по 5 - 10 мин в концентрированной серной, азотной кислоте или смеси Каро (серная кислота и перекись водорода). Слой фоторезиста при этом разлагается и растворяется в кислоте, а затем его окончательно удаляют в органическом растворителе. Кислотное удаление фоторезиста нельзя применять при фотолитографии по металлу.

Некоторые фоторезисты хорошо удаляются в водных растворах поверхностно-активных веществ, например кипячением 5 - 10 мин в 30% -ном растворе синтанола.

Интенсивность удаления слоя фоторезиста можно увеличить ультразвуковым воздействием. Для этого ванночку с подложками, заполненную реагентом, помещают в ультразвуковую ванну с деионизованной водой. Время обработки при этом уменьшается в 10 - 20 раз.

Для удаления позитивных фоторезистов, температура сушки которых не превышает 95 °С, подложки предварительно облучают ультрафиолетовым светом. При этом ортонафтохинондиазиды превращаются в инденкарбоновые кислоты, которые легко удаляются в органических растворителях.

После химического удаления слоя фоторезиста подложки тщательно очищают от его остатков, которые могут отрицательно сказаться на таких последующих технологических операциях, как диффузия, окисление, нанесение металлизации и др. Кроме того, необходимо качественно очищать поверхность подложек от загрязнений, вносимых при фотолитографии.

Химическую обработку проводят на установках, входящих в комплекс универсального оборудования, предназначенного для очистки подложек перед первым окислением, травления оксидных металлических и полупроводниковых пленок, а также удаления слоя фоторезиста и последующей гидромеханической отмывки подложек деионизованной водой. Все эти операции проводят во фторопластовых ваннах, снабженных нагревателями и эжекторами для откачки реагентов после окончания технологического процесса.

Несмотря на широкое использование, химические жидкостные методы обработки (травление технологических слоев и удаление фоторезиста) имеют ряд недостатков, основными из которых являются невысокая разрешающая способность и изотропность процессов травления, трудность их автоматизации и - появление загрязнений на поверхности подложек, что ограничивает возможности фотолитографии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для ВУЗов - М; Радио и связь, 2007 - 464 с: ил.

2. Технология СБИС. В 2 кн. Пер. с англ. /Под ред. С. Зи, - М.: Мир, 2006. -786 с.

3. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. - М.: Радио и связь, 2001. -528 с.

4. Достанко А.П., Баранов В.В., Шаталов В.В. Пленочные токопроводящие системы СБИС. -Мн.: Выш. шк., 2000. -238 с.

5. Таруи Я. Основы технологии СБИС Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 2000-480 с.