Диффузия (987306), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

(11.3.22)

г

де дополнительный по сравнению с уравнением (11.3.2) член правой части учитывает процесс перераспределения примесей. Рост оксидной пленки обычно подчиняется параболичес­кому закону

(11.3.23)

где К зависит от температуры и условий проведения процесса окисления.

По существу последнее выражение математически экви­валентно наличию члена D в уравнении (11.3.17) и имеет с последним эквивалентное решение.

11.3.6. Диффузия в поликристаллическом кремнии

Пленки поликристаллического кремния в технологии изго­товления ИС используются главным образом для формирова­ния затворов в самосовмещенных структурах и создания про­водниковых соединений. Диффузия примесей в пленках поли­кремния описывается на основе модели движения атомов по границам зерен. Проникновение примесей при этом происхо­дит в десятки раз быстрее чем в монокристаллическом ма­териале,

С ледует отметить, что в каждом отдельном случае резуль­таты диффузии в поликристаллическом кремнии предсказы­ваются с большой вероятностью ошибки, хотя известно, что математически процесс описывается с помощью той же функ­ции ошибок, но с несколько другими входящими под ее знак параметрами .Однако чаше используется классичес­кий закон распределения примесей на основе функции оши­бок с аргументами

Исследования электрофизических свойств поликристалли­ческих слоев, легированных элементами V группы показывают, что процесс диффузии сопровождается сегрегацией этих эле­ментов на межзеренных границах. В целом диффузия приме­сей в поликристаллическом кремнии является нежелательным процессом.

11.3.7. Диффузия в слоях арсенида галлия

Как известно, изготовление транзисторов на основе арсенида галлия GaAs вследствие большой подвижности носителей заряда существенно повышает их рабочие частоты по сравнению с кремниевыми.

Высокая упругость паров мышьяка затрудняет использование метода диффузии из газовой фазы. Основную трудность проведения диффузии в арсениде галлия GaAs представляет склонность этих составов к нарушению стехиометрии. Процесс обычно проводится в избытке мышьяка в два этапа. На первой низкотемпературной стадии формируется тонкий (не более 0,1 мкм) примесный слой. Перед высокотемператур­ным отжигом на второй стадии пластина арсенида галлия покрывается слоем оксида кремния, который предотвращает нарушение стехиометрии материала. Для защиты слоев арсе­нида галлия GaAs в ряде случаев также применяется фосфоросиликатное стекло толщиной около 0,5 мкм.

Применение оксидных слоев, легированных соответствую­щими примесями, позволяет использовать эти слои не только в качестве защитных масок, но и как источники диффунди­рующего вещества. При высоких значениях коэффициента диффузии примесей в арсениде галлия даже при больших толщинах оксидного слоя трудно организовать источник бес­конечной мощности. В этих условиях глубина залегания р—n-перехода зависит от оксидного слоя.

11.4. ЛИТОГРАФИЯ

11.4.1. Общие положения

Литографией называется процесс переноса геометрическо­го рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины. Шаблон обычно представляет собой плоскопараллельную стеклянную пластину с нанесенным на нее топологическим рисунком определенного уровня ИС. Применение этого ме­тода позволяет формировать многие схемные элементы, на­пример электроды затвора, металлические соединения, кон­тактные окна, полупроводниковые резисторы, емкости, диоды, транзисторы, колебательные контуры и т.д. Для создания ИС необходимо последовательно перенести на кремниевую пластину топологический рисунок с каждого шаблона.

Р
азвитие микроэлектроники происходит в направлении уменьшения размеров приборов и усложнения схемных решений. В настоящее время промышленность подошла к необхо­димости получения линий шириной 0,25 мкм, точность выпол­нения топологического рисунка должна при этом составлять 0,1 мкм. Рисунок в литографических методах формируется (рис. 11.4.1) экспонированием светом, рентгеновским излучением

Рис. 11.4.1. Изменение ширины линий элементов ИС по годам при использовании литографических методов изготовления ИС

или электронным пучком и т. д. участков кремниевой пласти­ны с последующим проявлением скрытого изображения. Для экспонирования определенных в соответствии с топологией участков пластины в подавляющем большинстве случаев при­меняются фоточувствительные материалы. Эти материалы на­носятся в виде тонкой пленки на кремниевую пластину. По­следующие экспонирование и проявление изображения в фо­точувствительном материале позволяют удалить экспониро­ванные или неэкспонированные области пленки. Затем плас­тина подвергается травлению. Во время травления поверхност­ные области, защищенные пленкой, остаются нетронутыми. Способность защитной пленки не вступать во взаимодействие с травителем отражена в ее названии — резист, а при исполь­зовании видимого света для экспонирования — фоторезист. В конце литографического процесса происходит нанесение или наращивание нового слоя на кремниевую пластину.

11.4.2. Процесс литографии

Шаблоны

Д
ля производства ИС применяются шаблоны с высокой степенью интеграции (количеством дискретных элементов на одной кремниевой пластине). Рисунок шаблона обычно имеет сложную конфигурацию с размером элементов порядка не­скольких микрон. Все это требует первоначально выдерживать топографический рисунок в увеличенном в 100—2000 раз раз­мере. Изготовление фотошаблона с помощью увеличенного оригинала с последующим фотографическим уменьшением в несколько этапов и покрытием эмульсией не вызывает затруд­нений, но не позволяет переносить изображения элементов размером менее 5 мкм.

Рис. 11.4.2. Процесс переноса изображения в фотолитографии

В последнее время в практике изготовления фотошаблонов применяются системы машинного проектирования. Созданная на экране дисплея геометрическая топология шаблона хра­нится в цифровом виде на магнитных дисках. С помощью генератора изображения происходит формирование электрон­ным пучком элементов рисунка на стеклянном шаблоне, покрытом такими материалами, как оксиды железа, хрома или кремния. Эти шаблоны обладают разрешением 1 мкм.

Следует отметить, что по мере использования фотошаб­лонов происходит накопление на них дефектных элементов, что соответственно приводит к производству бракованных ИС. В связи с этим перед каждым экспонированием фотошабло­ны проходят визуальный или машинный контроль и при опре­деленном проценте дефектных элементов заменяются новыми.

Процесс переноса изображения в фотолитографии

На рис. 11.4.2 показана последовательность процесса лито­графического переноса изображения. Первоначально крем­ниевую пластину окисляют в сухом кислороде. Толщина окисного слоя при этом не превышает 1000 нм. На втором этапе на пластину наносят пленку резиста толщиной 1 мкм. Для достижения однородности пленки резист наносится на быстро вращающуюся вокруг вертикальной оси кремниевую пластину. Далее резист высушивают и экспонируют через фотошаблон ультрафиолетовым светом. Для устранения неэкспонирован­ного материала резиста фотошаблоны проявляют в раствори­теле. На следующем этапе происходит стравливание вскры­тых областей окиси кремния SiO₂, травитель при этом не ока­зывает воздействия на резист. На последней, шестой стадии, удаляют резист с покрытых окисным слоем участков крем­ниевой пластины. Изображение, полученное на окиси крем­ния SiO₂ используется в дальнейшем как маска. Диффузия в окисном слое, например, существенно медленнее, чем в са­мом кремнии.

Р
ис. 11.4.3. Блок-схема этапов литографического процесса при производстве ИС свойства резистов;

На рис. 11.4.3 представлена схема этапов литографического процесса. В рамку выделены этапы, входящие в этот процесс. Полную ИС получают последовательным применением про­цесса литографического переноса изображения каждого топо­логического уровня.

Физические принципы применения резистов

Если в фотографическом процессе изображение соответ­ствует распределению интенсивности исходящего от объекта света, то в литографии изображение соответствует профилю фотошаблона. Светочувствительная пленка, покрывающая фо­тошаблон, — фоторезист — под действием падающего излуче­ния изменяет свои химические свойства, а требуемое изобра­жение появляется после его проявления. Литографический процесс во многом похож на фотографический.

В литографии резисты могут быть как негативными, так и позитивными. Позитивный резист состоит обычно из трех компонентов: смолы, легко испаряющегося растворителя и фотоактивного соединения. Растворитель позволяет наносить резист на крем­ниевую пластину в жидком виде. Посуде испарения раствори­теля толщина сухой пленки резиста обычно находится в пре­делах 0,3—2 мкм. Наличие фотоактивного вещества в пленке препятствует ее растворению в водно-щелочном проявителе. Экспонирование светом позитивного резиста приводит к по­тере его защитных свойств. Растворимость негативных резистов в проявителе после облучения уменьшается (рис. 11.4.4). В случае позитивных резистов стравливанию, наоборот, под­вергаются облученные участки.

Рис. 11.4.4. Влияние излучения на свойства резистов: а — оптические свойства резистов;

б — изображение резиста после проявления

Размеры областей, свободных от резиста, зависят от вре­мени облучения. При длительном облучении из-за процессов дифракции происходит уменьшение областей, покрытых резистом, по сравнению с их размерами на фотошаблоне.

Допустимые отклонения размеров элементов топологии в литографии

Д
аже самая простая ИС изготавливается с применением нескольких литографических прессов. Элементы топологии по­следовательных уровней шаблонов требуют при этом их жесткой пространственной увязки.

Рис. 11.4.5. Топология п—р—n-транзистора

Элементарные области должны располагаться внутри базовых областей, элементы металли­зации должны точно перекрывать контактные окна. На рис. 11.4.5 приведен пример совмещения положений, используемых при изготовлении транзисторов.

Соблюдение жестких допусков на размеры элементов, абсолютных отклонений линейных размеров является одной из основных проблем технологии изготовления ИС. Точность ручного совмещения изображений рисунка шаблона и сфор­мированного на пластине изображения находится в пределах 0,5 мкм. Автоматизация этого процесса не приводит к пол­ному исключению ошибок совмещения. Во время термических обработок кремниевой пластины, например диффузии, проис­ходит боковое (в плане) проникновение атомов диффузанта, что также приводит к размытию профилей распределения ле­гирующих примесей. В технологии изготовления ИС допуски литографического процесса обычно составляют ±0,6 мкм, что и определяет минимальный размер элементов изображения. В настоящее время проводятся работы в направлении созда­ния методов измерения размеров элементов топологии фото­шаблонов и самих кремниевых пластин с помощью оптичес­кой сканирующей электронной микроскопии. Однако точность этих измерений не превышает пока 0,5 мкм.

11.4.3. Оптическая литография

Методы оптической литографии

На рис. 11.4.6 представлены основные методы оптической литографии.

Р
ис. 11.4.6. Методы фотолитографии: а — контактный; б—бес­контактный; в — проекционный

В контактном методе вследствие тесного контакта между шаблоном, резистом и кремниевой пластиной легко воспроизводятся элементы размером до 1 мкм. К недостатку этого метода следует отнести наличие загрязнений, например пы­линок, на поверхности кремниевой пластины. Эти загрязнения приводят к повреждению поверхности шаблона при соприкос­новении его с пластиной. Следует отметить, что высокий уро­вень выхода годных кристаллов ИС обеспечивается при плот­ности дефектов не более одного на 1 см² для каждого лито­графического процесса.

В методе бесконтактной печати ширина зазора между шаб­лоном и пластиной находится в пределах 10—25 мкм. Перенос изображения при этом происходит в дифракционной об­ласти Френеля. Разрешение в этой области пропорционально (g)^1/2, где  — длина падающего света; g — ширина зазора между шаблоном и пластиной (составляет 2—4 мкм). Необ­ходимо отметить, что указанный зазор между шаблоном и пластиной полностью не исключает возможность поврежде­ния поверхности шаблона.

Характеристики

Список файлов лекций