Главная » Мануалы

1 ... 13 14 15 16 17 18 19 20


Рис. 11.6. Анизотропное травление с использованием масок на поверхностях плоскостей (100) и (НО) кремния

пературы до 25 °С делает процесс травления хорошо управляемым и применимым для любой кристаллографической ориентации пластин.

Щелочные травители содержат NaOH и КОН с концентрацией от 1 до 30% в зависимости от скорости травления. Температура травления выбирается в интервале 50... 100 °С. Травление применяется также для размерной обработки полупроводниковых пластин, например для доведения их толщины до заданного значения, для получения локальных углублений или сквозных отверстий. Селективное травление полупроводников применяется для контролируемого получения углублений определенной формы (см. § 3.4; 7.2; 7.3; рис. 8.9). Подбирая определенную ориентацию поверхности, а также ориентацию окна в контактной маске, можно получать соответствующие им и вполне определенные формы углублений (рис. 11.6).

В случае травления кремния кислотными селективными трави-телями скорости травления основных кристаллографических областей различны: 1(1 io)>t(ioo)>t(i i о- Для щелочных травителей V(]oo)>V(\io)>V(\i\). Это обусловлено различной скоростью адсорбции ионов гидроксила и фтора на этих плоскостях.

Очистка поверхности пластин и подложек. Молекулы и атомы, расположенные на поверхности подложек и пластин, имеют высокую химическую активность, так как часть их связей ненасыщена. Поэтому получить идеально чистую без посторонних примесей поверхность практически невозможно и понятие чистая поверхность относительно. Технологически чистой считается поверхность, которая имеет концентрацию примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и стабильности параметров микросхем. Даже в случае не очень высоких требований к чистоте поверхности концентрация примесей не должна превышать 10~*... 10- г/см2.

Процессы очистки пластин и подложек предназначены для удале- ния загрязнений до уровня, соответствующего технологически чистой поверхности.

Источники загрязнений пластин и подложе! пыль, находящаяся в воздухе производственных помещений; пред! меты, с которыми соприкасаются пластины и подложки (оборудова! ние, инструмент, оснастка, тара для транспортировки и хранения)!

технологические среды; органические и неорганические реагенты, вода и др.

Загрязнение возможно практически на всех операциях изготовления микросхем. Поэтому на протяжении технологического производственного процесса очистка поверхности пластин и подложек осуществляется многократно (см., например, § 10.1). Наиболее важна очистка поверхности после механической обработки, перед термическими процессами, перед нанесением различного рода покрытий, пленок, слоев.

Виды загрязнений. Технология химической обработки и очистки пластин и подложек на каждом этапе определяется характером возможных загрязнений и требованиями, предъявляемыми к поверхности.

На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать многие виды загрязнений. Наиболее трудно удалимы органические и некоторые химически связанные с обрабатываемой поверхностью загрязнения. Из растворимых в воде загрязнений наиболее сложно удаляются ионы металлов.

Классификация методов очистки. С точки зрения механизма процессов все методы очистки можно условно разделить на физические и химические. При физических методах загрязнения удаляются растворением, а также обработкой поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов. В тех случаях, когда загрязнения нельзя удалить физически, применяются химические методы, при которых загрязнения, находящиеся на поверхности или в приповерхностном слое, переводятся в новые химические соединения и затем удаляются.

В соответствии с применяемыми средствами очистку можно разделить на жидкостную и сухую. Подобрать раствор, удаляющий одновременно все возможные поверхностные загрязнения, весьма сложно, поэтому жидкостная очистка включает ряд последовательных операций (рис. 11.7). Сухая очистка выполняется непосредственно перед проведением таких технологических процессов, как напыление пленок, окисление, фотолитография. К сухой очистке относятся отжиг, газовое и плазмохимическое травление. Эти методы исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе

----П

Рис. 11.7. Схема агрегата очистки:

камера ультразвукового (УЗ) обезжиривания; 2-УЗ-излучатель; 3- сливной вентиль; 4- центрифуга:

Репдент

Деионизо8ан ая г Ша

камера отмывки




жидких реактивов, а также проблемы межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод, что немаловажно при использовании жидких средств очистки. Кроме того, процессы сухой очистки более управляемы и легче поддаются автоматизации.

Обезжиривание. Операция удаления жировых загрязнений сопровождаемая переводом поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием. В органических растворителях (четыреххлористом углероде, бензоле, толуоле, изопропи-ловом спирте и других) эффективно растворяются почти все жировые загрязнения. От поверхности подложек отрываются молекулы жира, которые благодаря диффузии равномерно распределяются по всему объему растворителя. Отрыв молекул жира от очищаемой поверхности вызывается их притяжением со стороны молекул растворителя. Процесс обезжиривания проводят в нескольких порциях свежего растворителя, а на последнем этапе - в его парах. Контролируемыми параметрами процесса являются температуры и время обработки.

Очистка пластин и подложек в органических растворителях весьма эффективна, но применение органических растворителей в производстве нежелательно, так как они дорогостоящи, токсичны и огнеопасны. Выгодно отличаются от перечисленных выше органических растворителей фреоны, общая формула которых СС1 р4 . Часть используют фреон-113 (CCIF3) жидкость с температурой кипения 47,6 °С и плотностью 1,57 г/см. Фреон негорюч, нетоксичен, обеспечивает высокую эффективность очистки и позволяет отказаться не только от многих органических растворителей, но и от применения последующих операций промывки в деионизованной воде. Очистка с использованием фреонов универсальна, ее применяют для рластин и подложек из любых материалов. Обработка пластин кремния в фреоне-113 примерно в 15 раз ускоряет процесс очистки и обеспечивает такое же качество, как при очистке обезжириванием, кислотным травлением и промывкой.

Химическая очистка. Б настоящее время для химической обработки кремниевых пластин применяется горячий (75-80 Х^) универсальный перекисно-аммиачный раствор, содержащий Н2О2 и NH4OH (см., например, перечень технологических операций изопланарного процесса в § 7.3). В процессе обработки пергидроль разлагается с выделением атомарного кислорода: Н202 = H2O-I-O. Атомарный кислород окисляет как органические, так и неорганические загрязнения. Щелочь NH4OH ускоряет реакцию разложения пергидроля, а также связывает в хорошо растворимые комплексные соединения металлы первой и второй групп периодической таблицы.

Промывка пластини подложек в процессе изготовления микросхем проводится неоднократно. Для промывок применяется особо чистая деионизованная вода.

О качестве промывки судят по удельному сопротивлению воды на выходе промывочной камеры. Исходное сопротивлени

составляет 10...20 МОм-см; сопротивление воды на выходе тем выше, чем меньше остаточных ионов. Когда сопротивление воды на выходе сравняется с сопротивлением на входе промывочной камеры, промывку прекращают.

Очистка поверхности пластин и подложек и их зашита с помощью полимерных пленок. Полимерные лаки ХСЛ (химически стойкий лак), ПММК (полиметилметакри-лат), ПАН (полинитрилоакрилат), ПВС (поливиниловый спирт), ПБХ (поливинилхлорид) и другие наносятся на поверхность подложек. В процессе полимеризации лаки захватывают имеющиеся на поверхности загрязнения в твердеющую пленку, которая, кроме того, предохраняет поверхность от попадания новых загрязнений извне. Поэтому они используются для консервации очищенных подложек в межоперационный период хранения и транспортировки. Полимерные пленки легко и полностью снимаются с поверхностей подложек простым механическим сдиранием , которое можно осуществить непосредственно перед проведением операций, например перед напылением пленок. Ионы металлов образуют с компонентами пленок прочные связи и удаляются вместе с пленкой, с ней же удаляются коллоидные и механические частицы.

Сухая очистка. Условно методы сухой очистки разделяют на физические и химические. В физических методах загрязнения удаляют термообработкой (отжигом) и ионным травлением. При химических методах находящиеся на поверхности загрязнения удаляют путем их перевода в новые летучие химические соединения.

Термообработка (отжиг) применяется для удаления адсорбированных поверхностью примесей, разложения под действием высоких температур поверхностных загрязнений и испарения летучих соединений. Она осуществляется в вакуумных и термических установках непосредственно перед проведением основных технологических процессов, например перед нанесением тонких пленок, перед нанесением фоторезиста и т. д. Эффективность очистки увеличивается с ростом температуры, которая ограничена температурой плавления очищаемых материалов.

Газовое травление. В качестве реагентов обычно используют галогены, галогеноводороды, сероводород, гексафторид серы, пары воды, фреоны. Эти реагенты, добавленные в количестве 1...5% к водороду, аргону или гелию, выпускаются промышленностью в баллонах из нержавеющей стали под давлением до 10* Па (100... ...150 атм). Обработку поверхности пластин и подложек производят в кварцевых реакторах в потоке парогазовой или газовой смеси при температурах 950... 1250 TI.

В промышленности наибольшее распространение получило травление пластин кремния в безводном хлористом водороде с использованием газовой смеси HCI-I-H2.

При получении гетероэпитаксиальных слоев кремния на сапфире для производства БИС высокие требования предъявляются к



качеству поверхности подложек, выполненных из лейкосапфира (а = А120з) с ориентацией по плоскости {1012}. В процессе травления сапфира после механической обработки необходимо удалить слой толщиной 10... 15 мкм, что осуществляют чаще всего в потоке сухого водорода и при температуре около 1500 °С. Кинетику травления упрощенно можно описать уравнением А120з+2Н2=А!20--+2Н2О, хотя детально этот процесс до сих пор не исследован. Качество поверхности, получаемое в результате обработки, обычно очень высокое. Однако это относится только к указанной ориентации плоскости подложки.

Газовое травление обеспечивает максимально достижимую частоту поверхности, а также совмещается с такими процессами, как эпитаксия и окисление при проведении их в одном реакторе без извлечения пластины на воздух. Высокая чистота поверхности обеспечивается переводом всех поверхностных загрязнений и частично собственно атомов полупроводника в легколетучие химические соединения, уносимые потоком газа-носителя. Недостатком метода газового травления является необходимость проведения процесса при высоких температурах и трудность получения высокой степени чистоты водорода (не хуже 99,98%) и хлористого водорода (не хуже 99,99%).

Плазменное травление. Под термином плазменное травление понимают процесс контролируемого удаления материала с поверхности подложек под воздействием ионов низкотемпературной плазмы в среде инертных газов или в среде, содержащей активные газы. Плазменное травление в технологии используют не только для очистки подложек, но и для формирования топологии конструктивных элементов микросхемы удалением материала пленки с незащищенных фоторезистом участков (рис. 11.8). Плазменное травление дает меньший по сравнению с химическим подтрав пленки (рис. 11.8, а, б), позволяет получить близкий к идеальному профиль травления (рис. 11.8, в). При соответствующем подборе режимов и рабочих сред оно обладает высокой степенью анизотропии и селективности.

dn ,

а)

Рис. 11.8. Боковой подтрав пленки под маску при формировании зазоров между пленочными элементами (а), пленочных элементов (б) н идеальный профиль травления (в):

d - размер рисунка в маске; d - размер рисунка в пленке: 1- подложка; 2- пленка; 3- маска (фоторезист)

Рис. 11.9. Соотношение между давлением в плазме, напряжением между электродами (энергией частиц) и природой процесса обработки материала

Высаиае Низнае

[Физический плазменный процесс

Химический -- плазменный

Низков Высокое

npaujBcc


Травление распылением

РвактиВнае

ионное трабление

Плазменнов траВление

Плазма представляет собой ионизированный газ, состоящий из почти равных количеств положительных и отрицательных зарядов. В методах плазменного травления используют слабоионизированные газы, получаемые с помощью электрических разрядов при низких давлениях. Неупругие столкновения молекул газа с электронами, разогнанными электрическим полем, приводят к образованию ионов и свободных радикалов, которые могут вызвать травление за счет физических и химических взаимодействий с обрабатываемыми поверхностями. В зависимости от сочетания давления и энергии ионов плазмы (рис. 11.9) характер процессов может меняться от чисто физического (распыление) до чисто химического (травление).

Распыление представляет собой чисто физический процесс, в котором ионы плазмы ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность твердого вещества. При этом они сообщают свою энергию атомам поверхности, выбивая и переводя их в газовую фазу. Явление физического распыления лежит в основе двух методов травления с пбмощью плазмы: объемного и ионно-лучевого (ионно-

Для получения практически приемлемых скоростей травления, т. е. для обработки поверхности достаточно большим количеством ионов, указанные процессы следует проводить при относительно низких давлениях (0,1...10 Па). Ионам надо сообщать энергию 0,5... 10 кэВ. -При меньших энергиях распыления не происходит, при больших энергиях ионы внедряются в обрабатываемый материал и распыление прекращается.

Существует метод чисто химического плазменного травления: электрический разряд в газе создает активные свободные радикалы, которые вступают в химическую реакцию с'загрязнениями и веществом подложки, образуя летучие продукты. Обычно это происходит при более высоких давлениях, чем при физических способах травления, а использование частиц с меньшими энергиями наносит меньший вред поверхности полупроводниковых структур. Например, четырехфтористый углерод (CF4) можно разложить в плазме с образованием атомов фтора и других способных к реакции свободных радикалов. Атомы фтора активно взаимодействуют с кремнием




OSbEMHO-плазмениое

онно-лучеВов

РеантиВиое иоино-плазпенное

РеатиЬное ионно- пцчЕбое

Плазменное

PaduHanbHOt

С фонусироЕной и без фонусиробни ионных пучио5

с компенсацией и дез компенсации объемного заряда

Рис. 11.10. Классификация процессов плазменного травления

И его соединениями (окислом, нитридом) с образованием 51р4, который удаляется из зоны реакции в газообразном состоянии.

Между крайними вариантами процесса - физическим распылением и плазмохимическим травлением существует широкий спектр различных состояний плазмы и характера протекающих процессов ее взаимодействия с поверхностью подложек. Так, в частности, отчетливо выделяют промежуточный процесс ионно-химического (реактивного) травления (рис. 11.9, 11.10). Это означает, что^ между физическими и химическими методами травления нет четкой границы. В общем случае при плазменном травлении могут совместно действовать оба механизма. При замене инертных газов в плазме на химически активные соединения, при повышении давления и снижении средней энергии плазмы химическое травление усиливается, а физическое ослабевает.

Ионное травление. В зависимости от способа получения ионов и среды, в которой находятся образцы, ионное травление разделяется на два вида: объемно-плазменное и ионно-лучевое,

При объемно-плазменном травлении образцы, закрепленные на катоде газоразрядного устройства, подвергаются бомбардировке ионами инертного газа (обычно ионами Аг) из области плазмы (рис. 11.11). Все остальные части реактора заземлены и являются анодом. Площадь катода намного меньше площади анода, поэтому плазма занимает весь объем реактора, а наибольшее падение напряжения приходится на область разряда вблизи катода. Экран предотвращает распыление защищаемых им участков поверхности катода.

При ионно-лучевом травлении образцы помещают в высокое! куумную камеру установки и подвергают бомбардировке ионам! из автономного источника (рис. 11.12). Ионы могут быть получен/ в виде сфокусированного пучка. Для формирования ионного лу*

Рабочий.


Рнасосу


Рис. 11.11. Высокочастотная диодная система ионного и ионно-химического травления:

подложки; 2- катод; 3- заземленный экран; 4- источник ВЧ-напряжения

Рис. 11.12. Установка плазмохимического травления с автономным ионным источником:

/- вакуумная камера; 2- подложки; 3- нейтрализатор; 4- газоразрядный источник; 5- магнит; 6 - натекатель; 7- анод; 8- катод; 9- система линз; 10- вращающийся столик

служит система вытягивающих, ускоряющих и фокусирующих линз. Для компенсации положительного заряда, накопленного на обрабатываемых поверхностях, применяют подогреваемый катод, эмитти-рующий электроны (нейтрализатор).

Ионное травление - универсальный способ очистки поверхности любых материалов от примесей любого типа. Оно может быть использовано для обработки многослойных пленочных структур с несовместимыми в условиад жидкостной химической обработки свойствами слоев. Недостатком ионного травления для размерной обработки и формирования конфигураций элементов микросхемы является низкая селективность (избирательность) по скорости травления различных материалов. СелекУивность - решающий фактор при формировании конфигураций, rai как травление не должно касаться маски и идти глубже того слой, для которого предназначено.

Плазмохимическое травление. Удаление поверхностного слоя материала в этом процессе происходит за счет химического взаимойствия между ионами и радикалами активного газа и атомами обрабатываемой подложки с образованием летучих соединений. В зависимости от среды, в которой находятся подложки, плазмохимическое травление подразделяют на собственно плазменное (образцы находятся непосредственно в плазме химически активных газов) и радикальное (образцы находятся в вакуумной камере, отделенной от газоразрядной с химически активной плазмой перфорированными металлическими экранами или магнитными и электрическими полями). Радикальное травление осуществляется электрически нейтральными, но химически активными атомами или радикалами, поступающими из газоразрядной плазмы.

Применяют два типа реакторов для плазменного травления, в которых для генерирования плазмы используется ток высокой частоты. Реактор первого типа содержит камеру с внешними



Вив с торца

Вид сВону


Рис. 11.13. Реактор плазмохимического травления с объемным расположением подложек:

/- кварцевые стенки реактора; 2- кварцевая лодочка; 3- пластины; 4- металлический перфорированный цилиндр; 5- плазма, -ВЧ-генератор

электродами, внутри которой имеется держатель для вертикально устанавливаемых пластин (рис. 11.13). Камера обычно выполняется в форме цилиндра, за что реактор такой конструкции называют цилиндрическим. В реакторе второго типа электроды находятся внутри, а пластины размещаются горизонтально (рис. 11.14). Электроды обычно расположены в параллельных плоскостях, поэтому такая конструкция получила название реактора с параллельными электродами.

Высокая производительность цилиндрического реактора-его главное достоинство, благодаря которому он хорошо подходит для выполнения таких неответственных операций, как снятие фоторезиста. Однако этот реактор, как правило, не годится для анизотропно- го травления, для травления алюминия или для избирательного t

2 ВЧ-геиератор j

тччччччч I кчччЦ\ч\ччч\\чч\\чч\у


газ


К насосу

Газ

Рис. 11.14. Реактор плазмохи-мического травления диодного типа с плоскими электро-j дами:

I 2- нижний и верхний электроды. 3- пластины, 4- цилиндр из стекла пирекс; 5- система газораспределе

травления двуокиси кремния на кремнии с приемлемыми для практических целей скоростями. Поэтому реакторы данного типа непригодны для большинства операций травления при изготовлении СБИС, требующих высоких разрешения и точности.

Несмотря на сравнительно низкие показатели по производительности, реакторы с параллельными обкладками находят сейчас все более широкое применение в полупроводниковом производстве, так как они позволяют выполнять прецизионное анизотропное травление. Более того, они обеспечивают повышенную избирательность (селективность) и позволяют выполнять такие операции, которые для цилиндрических реакторов недоступны, в частности травление контактных окон.

Ионно-химическое травление. Ионно-химическое травление сочетает достоинства ионного и плазмохимического травления. Механизм ионно-химического травления - совместное воздействие распыления и химической реакции. Преимущество ионно-химического перед плазмохимическим в том, что возможно травление даже тех материалов, которые не образуют летучих соединений с радика-лами..

Ионйогхимическое травление осуществляют в тех же установках, что и ионное травление, только в качестве рабочего используют не инертный, а химически активный газ. В диодных системах в большинстве случаев используют для получения плазмы ВЧ-напря-жение, обеспечивающее стабильный разряд в химически активных газах (см. рис. 11.11). В установках с автономными ионными источниками (см. рис. 11.12) нельзя применять накаливаемый катод, который быстро выходит из строя при взаимодействии с химически активной плазмой.

Использование плазменного травления в производстве микросхем. Для осуществления процесса плазменного травления используются различные химически активные газы (табл. 11.1).

Для процессов травления в технологии СБИС применяют исключительно галогеносодержащие газы, за исключением процессов, связанных с удалением фоторезиста и переносом рисунков на органические пленки, когда используют кислородную плазму. Реакцион-носпособные радикалы образуются путем разложения галогеносодер-

Таблица 11.1. Материалы, участвующие в плазменном травлении

Обрабатываемый материал

Компоненты газовой среды для формирования плазмы

Пленки А1,А1-Si, А1-Си

ecu, ССи-ЬСЬ. SiCl ВС1з, BCI3+CI2

Пленки окисла и нитрида кремния

Ср4, СР4-ЬН2, C2F6, СзРа, СНРз

Пленки поликремния, кремниевая подложка

CF4, CF4-I-O2, SF6, 5Рб-1-02,.ЫРз, СЬ, ecu, CCI3F, CCI2F2,

CC1F3



Таблица 11.2. Типичные значения скорости травления и селективности процессов сухого травления в технологии СБИС

Материал, подвергаемый травлению (М)

Рабочая среда

Скорость травления, нм/мин

Отношение скоростей травления материала и других элементов конструкции (селективность)

М/резист

M/Si

M/Si02

А1, А1-Si, А1-Си

ВСЫ-С1г

5...8

3...5

20...25

Полнкремний

50...80

25...30- J

SiOj

12...20

- - ..И

ФСС

CF4+H2

- Щ

жащих соединений. Добавки водорода снижают скорость процесса плазменного травления, добавки кислорода в небольших количествах (10...20%)-повышают, а в больших - снижают ее. Peгyлиpy технологические параметры: давление в реакционной камере, подводимую мощность, состав плазменной среды, температуру обрабатываемых подложек (100...300 Т;), изменяют скорость травления материалов (10...5000 нм/мин), характер картины травления (изотропный или анизотропный, см. рис. 11.11), отношение скорости травления обрабатываемой пленки к скорости травления маски (фоторезист) и подложки (кремний или окисел). Эти данные приведены в табл. 11.2.

Есть у технологии плазменного травления и свои недостатки: ограниченный размер партии пластин для реакторов с параллельными обкладками; низкая избирательность травления (при плазменном травлении двуокиси кремния на кремнии избирательность обычно составляет около 12:1, тогда как буферный травитель на основе плавиковой кислоты обеспечивает очень большое, не поддающееся измерению отношение скоростей травления); повреждение поверхности микросхем фотонами или частицами плазмы. Такие повреждения обычно не предсказуемы, и до сих пор их характер полностью не изучен. (Их довольно часто можно устранить с помощью термообработки.)

Другая проблема плазменного травления - возможное присутствие на пластине мелких нежелательных частиц. Жидкостное химическое травление менее чувствительно к таким загрязнениям.

Плазменное травление по сравнению с жидкостным химическим для микросхем с большими технологическими проектными нормами (6...8 мкм) дает небольшое преимущество по надежности и выходу годных. Но при более жестких нормах (2...4 мкм) эти методы даже нельзя сравнивать. Методы плазменного травления позволяют изготовлять приборы и структуры, которые находятся за пределами^ возможностей методов жидкостного химического травления.

11.3. ОПЕРАЦИИ НАНЕСЕНИЯ ТОНКИХ И ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК

Нанесение тонких диэлектрических пленок. Тонкие пленки окисла и нитрида кремния, фосфоросиликатного и боросиликатного стекол выполняют роль диэлектрика в МДП-приборах и изолятора в многоуровневой разводке, защищают поверхность полупроводника от внешних воздействий. Они служат маской при проведении процессов диффузии, а пленки БСС и ФСС - источниками диффундирующих примесей. В практике производства микросхем используется большое число методов нанесения диэлектрических пленок.

На н есение пленок SiO на пластины кремния тер-мичес^ким .окислением кремния при атмосферном давлении в горизонтальных цилиндрических кварцевых реакторах (рис. 11.15)-наиболее распространенный метод. Температура окисления лежит в интервале 800...1200 °С и поддерживается с точностью ±\ °С для обеспечения однородности толщины пленок. Пленки Si02 высокого качества получают при окислении пластин в сухом кислороде, но скорость окисления в этих условиях мала. Скорость роста пленок во влажном кислороде более высокая, но их качество несколько ниже. Часто при формировании пленок толщиной более 0,4 мкм используют режимы с изменением состава окислительной атмосферы: вначале проводится окисление в сухом, затем в увлажненном и снова в сухом кислороде. Тонкие пленки подзатворного и межзатворного окислов (см. гл. 8) выращивают в сухом кислороде или в газовой среде кислорода с добавками паров НС1 (для снижения встроенного в окисел заряда).

Повышение давления окислителя приводит к увеличению скорости роста пленок Si02 (рис. 11.16). Окисление при повышенном давлении позволяет выращивать достаточно толстые слои термического окисла при относительно низких температурах в течение времени.



Рис. 11.15. Схема процесса термического окисления кремния:

/-вентили; ?-ротаметры; 3-кварцевая трубка-реактор: нагревательная печь; 5-пластины кремния; в-деионизованная вода: 7- нагреватель



2-10Па 5-10 Па.


Рис. 11.16. Зависимость толщины окисла от времени окисления подложек кремния с ориентацией поверхности (100) и (111) в среде пирогенного водяного пара при температуре 900°С и давлении до 2 МПа

0,5 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 Время онисления ,ч

сравнимого со временем, необходимым для обычного высоко- температурного процесса прц атмосферном давлении. Этё обычно требуется для получения разделительного окисла в изопланарной технологии (см. § 7.3). Окисление при повышен; ном давлении и сравнительно низкой температуре позволяет уменьшить перераспределение активных примесей уже введенных в пластину, снизить возможность образования дефектов в кремнии и в окисле.

Плазмохимическое осаждение пленок окисла и нитрида кремния позволяет наносить пленки при очень низкой температуре подложек (100...400°С). Это осуществляется за счет реакции между компонентами в газовом разряде, из которого черпается энергия, необходимая для ее протекания. Осаждение окисла и нитрида происходит в реакторе, показанном на рис. 11.14, а также в реакторе с горячими стенками (рис. 11.17, а). Окисел образуется при реакции силана с закисью азота,в аргоновой плазме. Нитрид формируют за счет реакций силана с аммиаком в аргоновой плазме или путем введения силана в разряд, возбужденный в среде азота. Суммарные реакции в общем виде можно записать:

S i Н4-Н 4N 20 = Si02 + 4N 2-Н 2 НгО;

SiH4 + NH3Si.N(H) +ЗНг; I

2SiH4-t-N2 = 2Si,Ny(H) -t-ЗНг.

Состав продуктов реакции в сильной степени зависит от условий осаждения: частоты разряда, расстояния между электродами, мощности разряда, общего и парциального давления реагентов, скорости откачки, температуры подложки.

Плазмохимический нитрид и окисел используются в качестве изолятора между слоями разводки. Нитрид служит как герметизирующий материал при пассивировании поверхности кремния после формирования элементов микросхем'ы, он очень хорошо защищает прибор от механических повреждений, практически непроницаем для молекул воды и ионов щелочных металлов. За счет низкой тем-

Трехзонная печь

OOOG6


1? I Трехзонная печь \/

ТЛУЛ L-tttttttttttttу г---

Откачка

-Откачка

2\ 1

Рис. 11.17. Конструкции реакторов для осаждения пленок из газовой фазы плазмохимическим методом (а) и при пониженном давлении (б):

поступление реакционной газовой сре)цы; 2- шпкз; 3- манометр; 4- пластины- 5- графитовые электроды; 6-электропитание вЧ-разряда,

пературы осаждения (300.,.350 °С) плазмохимический нитрид кремния можно осаждать на поверхность уже полностью сформированных микросхем (см. рис. 7.14).

Химическое осаждение из газовой фазы. Традиционным методом осаждения окислов бора и фосфора является процесс получения из сильно разбавленной инертным газом газовой смеси их галогенидов с кислородом при нормальном давлении. Осаждение основано на протекании химических реакций

4PCl3-f502=2P205-f6Cl2

4ВВгз-Н302=2В20з+6Вг2 и проводится в диффузионной печи, т. е. в кварцевом горизонтальном цилиндрическом реакторе с горячими стенками (рис. 11.18). Температура осаждения 800... 1100 °С. Часть окислов фосфора и бора при этих температурах восстанавливается кремнием: P205+SiSi02+ + Р, B203 + SiSi02 + B. При указанных температурах окислы находятся в состоянии, близком к температуре размягчения, и, пере-


X X

Рис. 11.18. Схема реактора осаждения боросиликатного стекла на поверхности полупроводниковых пластин: /- термостатированный блок испарителей ВВгз; 2- ротаметры; 3- пластины; 4- жидкостный затвор; 5- нагреватель; 6- однозонная пемь




Рис. 11.19. Схема горизонтального кварцевого цилиндрического реактора для осажде- ния ФСС и БСС:

/-/смеситель; 2-начало зоны осаждения; 3-полупроводниковые пластины; 4-конец зоны осаждения

мешиваясь, образуют ФСС -(P205)x(Si02)y или БСС-(ВгОз) (Si02)y. Таким образом, осаждают на пластины источники диффузии фосфора и бора при локальном легировании кремния в процессах формирования структур полупроводниковых приборов. Характер движения газового потока в диффузионном реакторе показан, на рис. 11.19. В зазор между пластинами компоненты газовой смеси поступают диффузионным путем. Скорость осаждения б плен-, ки боросиликатного стекла (рис. 11.18) определяется формулой

6(Х.х)--

м -- л Р

д/С,(0)С5(0)

R -Ri

В формулу входят параметры, определяющие кинетику реакции взаимодействия ВВгз+Ог: исходные концентрации реагентов в газовой фазе в начале зоны осаждения Ci(0) и С2(0), константа скорости химической реакции К, средняя скорость газового потока в зазоре между стенками трубы и краями кремниевых пластин v (см. рис. 11.19), коэффициенты диффузии реагентов в зазоре междУ пластинами Di и D2. В неявном виде, через зависимости константЫ' скорости химической реакции и коэффициентов диффузии от температуры, эта формула содержит зависимость скорости осаждения от температуры проведения процесса осаждения. В нее входят геометрические и конструктивные характеристики процесса осаждения: радиус пластин R ; радиус трубы реактора R; расстояние между пластинами /. Вхбдят и физические константы осаждаемого окисла В2О3: р - плотность и М - молекулярная масса В2О3. Формула дает зависимость скорости осаждения пленки, а следовательно, и ее толщины h за время осаждения / {h = 8t) от положения пластины относительно начала зоны осаждения и, в пределах этой пластины , от расстояния до ее центра х. Толщина пленки БСС, осажденной таким способом, оказывается неравномерной. Она уменьшается от края к центру каждой пластины (рис. 11.20, а) и от первой пластины, стоящей в начале зоны осаждения, к последней, стоящей в конце зоны (рис. 11.20, б). Неравномерность тем меньше, чем ниже произведение концентраций реагирующих веществ, т. е. чем больше разбавление


д', мкм/мин

0,08 -. ПП7

В5П°С

.0,05

D,Dk-

0,03 0,02

воо'с

FJhc. 11.20. Изменение толщины пленки осажденного БСС по диаметру пластины (а) и по партии пластин (б) при двух различных температурах осажде-

Рис. 11.21. Распределение скорости осаждения пленок поликристаллического кремния по диаметру пластины

реакционной смеси интертным газом (Аг), чем ниже температура осаждения и больше расстояние между пластинами и скорость движения реакционной смеси в реакторе.

Однородность осажденных таким методом пленок повышается, если процесс проводить не при нормальном, а при пониженном давлении (уменьшается исходная концентрация реагентов). Фактически только в процессах осаждения при пониженном давлении (10... 100 пА) удалось получить хорошее качество и равномерность по толщине ППК. Для этих процессов созданы специальные реакторы (см. рис. 11.17,6) с регулируемым профилем температуры вдоль зоны осаждения. Осаждение из газовой фазы при пониженном давлении проводят и в реакторах, конструкция которых показана на рис. 11.14.

Поликремний осаждается путем разложения силана по реакции SiH4Si-f2H2 при температурах 600...650 °С. Для нанесения ППК обычно используют два вида процессов осаждения при пониженном давлении. В одном, при давлении в реакторе 25... 130 Па, использу- ется 100%-ный силан, а в другом силан, разбавленный азотом. Оба процесса позволяют обрабатывать одновременно партию 100... 200 пластин. Неоднородность ППК по толщине не превышает 5%. Скорость осаждения ППК составляет 10...20 нм/мин (рис. 11.21).

Пленки поликристаллического кремния используются в качестве, затвора МДП-транзисторов, для создания высокоомных резисторов, для формирования одного из уровней разводки в МДП-микрот Схемах, в качестве диффузионных источников при создании мелких



р-п переходов. Последующие после осаждения ППК процессы включают в себя легирование, травление и окисление (см. гл. 8). Поликремний может быть легирован в процессе осаждения мышьяком, фосфором или бором за счет добавления в реакционную смесь фосфина, арсина или диборана.

При осаждении пленок двуокиси кремния применяют разные методы, отличающиеся типом используемого реактора, температурой процесса осаждения и исходными реагентами. Пленки, осаждаемые при температурах 400...500 °С, формируются из газовой фазц, содержащей силан и кислород, по реакции SiH4+02->Si02+2H2, Осаждение может быть проведено в реакторах при атмосфернол^ давлении (см. рис. 11.18) или при пониженном давлении при 400. 450 °С (см. рис. 11.17,6). Основное преимущество этого способу осаждения-низкая температура процесса, которая позволяет осаждать пленки Si02 поверх алюминиевой металлизации. Эти пленки могут служить в качестве пассивирующих покрытий и в качестве диэлектрика при создании многоуровневой разводки. Низкая температура процесса имеет и свои недостатки: плохое покрытие пленками ступенек рельефа поверхности и возникновение отдельных частиц окисла, переносимых потоком газа.

Осаждение пленок Si02 в процессе разложения тетраэтоксиси-лана при пониженном давлении проводится при температурах 650...750 °С и дает высокое качество, хорошую их однородность и воспроизводимость рельефа поверхности. Тетраэтоксисилан Si(OC2H5)4 при нормальных условиях-жидкость, для введения ц реактор ее необходимо испарять. Реакцию разложения можно записать следующим образом: Si(ОС2Н5)4->5!02+побочные летучие продукты.

Осаждение пленок Si02 из тетраэтоксисилана применяют для нанесения изолирующей пленки над поликремниевой разводкой, из-за высоких температур процесса его нельзя применять при изготовлении микросхем с алюминиевой разводкой.

Пленки фосфоросиликатного стекла (ФСС) получают химическим осаждением из газовой фазы таким же образом, как и пленки Si02, ио в реакционную смесь добавляют фосфин, который, реагируя с кислородом, дает пятиокись фосфора по реакции 4РНз + 502 = = 2Р205 + 6Н2. используют для пассивации МДП-структур как одно из средств борьбы с встроенным в окисел зарядом, в качестве диэлектрика в многоуровневой разводке и в качестве источника атомов фосфора при формировании п-областей в кремнии диффузией. Пленки для диффузионных источников содержат 5... 15% фосфора, а для пассивации и межслойной изоляции-2...8% фосфора. Пленки, содержащие 6...8% фосфора, при нагреве до 1100°С размягчаются и, растекаясь, очень хорошо воспроизводят рельеф поверхности микросхемы, плавно, без дефектов, ложатся на ступени рельефа. Такая операция в технологии микросхем называется оплавлением ФСС. Пятиокись фосфора - гигроскопичный материал, поэтому со-318

держание фосфора в ФСС более 8% недопустимо, так как это приводит к взаимодействию ФСС с влагой атмосферы, образованию кислоты НРОз и к коррозии алюминиевой металлизации.

Химическое осаждение пленок нитрида кремния SbN осуществляют за счет реакции силана с аммиаком при атмосферном давлении и температуре 700...900 °С по реакции 351Н4+4ЫНз=: Si3N4-f -I-I2H2 или при пониженном давлении и температурах 700...800 °С по реакции 351С!2Н2 + 4ЫНз = 51зЫ4 + 6НС! + 6Н2. Осаждение при пониженном давлении позволяет получить высокую однородность свойств пленок нитрида, высокую производительность процесса осаждения. Нитрид кремния применяют для пассивации поверхности полупроводниковых микросхем. Он является хорошей защитой от воздействия внешней среды.

Нитрид кремния используется также в качестве маски при локальном окислении кремния, что обусловлено его низкой скоростью окисления. Этот процесс используется в изопланарной технологии производства микросхем на биполярных транзисторах (см. гл. 7) и в ряде вариантов технологии МДП-микросхем (см. гл. 8).

Химическое осаждение из газовой фазы металлических пленок. В настоящее время освоен процесс осаждения из газовой фазы при пониженном давлении тонких пленок вольфрама. Этот материал обладает высокой температурой плавления и малым удельным сопротивлением (5,3 мкОм-см). Используется реакция пиролиза (разложения за счет нагрева) галогенидов вольфрама WCie и WF6:WF6 = W + 3F2. Можно использовать реакцию их восстановления водородом WF6 + 3H2 = W + 6HF. В зависимости от типа реактора (см. рис. 11.14, рис. 11.17, рис. 11.18) процесс проходит при температуре 600...800 °С, причем использование WCie ведет к необходимости повышения температуры. Процессы осаждения идут при меньших температурах с большей скоростью при воздействии ультрафиолетового облучения и при наличии плазмы.

Кроме W методом химического осаждения из газовой фазы могут быть получены пленки Мо, Та, Ti, Ai. Важность освоения этих технологических операций связана с необходимостью формирования разводки на основе силицидов металлов (WSi2, MoSi2) при переходе к субмикронным размерам элементов БИС (см. гл. 3 и 4). В отличие от других методов нанесения металлических пленок (вакуум-термическое напыление, катодное распыление) осаждение из газовой фазы при пониженном давлении позволяет получить конформное покрытие пленкой ступенек рельефа. Следует отметить высокую производительность осаждения и групповой характер процессов нанесения металлических пленок.

Нанесение тонких пленок в вакууме. Основным методом нанесения тонких пленок в технологии микросхем до недавнего времени было термическое испарение материалов и их конденсация на поверхность подложек, осуществляемые в вакууме при давлении 10 ... 10 Па (когда длина свободного пробега молекул во много раз превышает



расстояние между испарителем и подложкой и испарившиеся атомы перемешаются по прямолинейной траектории без столкновения с молекулами остаточной газовой среды), и ионное распыление. И в нас-тояшее время эти методы распространены, особенно в производстве гибридных микросхем.

Метод термовакуумного напыления основан на создании направленного потока пара вещества и последующей конденсации его на поверхностях подложек, имеющих температуру ниже температуры источника пара. Пленка при конденсации формируется из отдельных атомов или молекул пара вещества. Процесс термовакуумного напыления состоит из четырех этапов: образование пара вещества, перемещение частиц пара от источника к подложкам, конденсация пара на подложках, образование зародышей и рост пленки.

Конденсация испаряемого вещества на подложке зависит от , температуры подложки и плотности потока поступающих к подлож- ; ке испаренных атомов или молекул и их энергии. Атомы пара, достигшие подложки, могут либо отразиться от нее (упругое столкновение), либо адсорбироваться и через некоторое время отразиться от подложки (реиспарение), либо адсорбироваться и после кратковременного мигрирования по поверхности окончательно остаться на ней (конденсация). Судьба каждого из атомов напыляемого вещества, соприкоснувшегося с подложкой, зависит от его энергии, температуры подложки и сродства материалов пленки и подложки. При очень высоких энергиях атомов, большой температуре подложки и малом химическом сродстве атом закрепиться на подложке не может.

Температура, выше которой все атомы отражаются от подложки и пленка не образуется, называется критической температурой кон- j денсации. Она зависит от природы материалов пленки и подложки й и от состояния поверхности подложки. При очень малых потоках* испаряемых частиц, даже если атомы на поверхности подложки i; оседают, но не встречаются с другими такими же атомами, они t в конце'концов вновь испарятся. Критической плотностью атомар-i. ного потока для данной температуры подложки называется наимень- шая плотность, ijpn которой атомы конденсируются на ней. Рост зародышей происходит за счет присоединения новых атомов, мигрирующих по поверхности или попадающих на зародыш непосредственно из пролетного промежутка источник - подложка. По мере конденсации пара зародыши растут, между ними образуются сое- диняющие мостики, зародыши сливаются в крупные островки. После, этого наступает стадия слияния островков с образованием единой сетки. Сетка переходит в сплошную пленку, которая начинает расти в толщину.

В производстве гибридных микросхем металлические пленки напыляют на диэлектрические подложки. Для таких сочетаний химически не родственных материалов (конденсата и подложек)


Рис. 11,22. Разновидности конструкции испарителей для термовакуумного нанесения пленок:

а...в ~ проволочные; г д - ленточные; -тигельные; /с - электронно-лучевой с кольцевым катодом-I- кольцевой катод; 2- экран; 3- испаряемое вещество; 4- водоохлаждаемый анод

велико реиспарение; зародышеобразование и рост тонких пленок

затруднены.

Испарение материалов осуществляют в испарителях. В зависимости от способа нагрева испарители можно подразделить на резистивные и электронно-лучевые. По конструктивным признакам различают проволочные, ленточные и тигельные (рис. 11.22) резистивные испарители.

К материалам, используемым для изготовления нагревателей резистивных испарителей, предъявляют следующие требования: давление пара материала нагревателя при температуре испарения осаждаемого вещества должно быть пренебрежимо малым; материал нагревателя должен хорошо смачиваться расплавленным испаряемым материалом, что необходимо для обеспечения хорошего теплового контакта между ними; между материалами нагревателя и испаряемым веществом не должно возникать никаких химических реакций.

Электронно-лучевой испаритель, используемый в установках для осаждения тонких пленок, должен удовлетворять ряду специфических требований: малогабаритность, низкие рабочие напряжения, широкий диапазон удельных мощностей электронного луча, стабильность и воспроизводимость удельной мощности после замены катода и разборки испарителя. Наиболее полно этим требованиям Удовлетворяют электронно-лучевые испарители со щелевой формой электродов электронного прожектора и секторным магнитным отклонением ленточного пучка на углы от 90 до 180° с использованием трехэлектродной электронно-оптической системы.

I 1 Зак. 918



1 ... 13 14 15 16 17 18 19 20

Яндекс.Метрика