Технические дисциплины - Микроэлектроника

лекц. 6.

3. Травление

Зачем и что подвергают травлению в микроэлектронике:

- слои фоторезиста для вытравливания в нем  окон (создания маски для  проведения последующей технологической операции) или для полного его удаления;

- окись кремния (SiO2) на кремниевой пластине для вытравливания в ней  окон (создания маски для  проведения последующей технологической операции) или для полного ее удаления;

- поверхность Si подложки с целью удаления поверхностных слоев содержащих большое количество примесей и дефектов кристаллической решетки;

- слои различных металлов на стекле, ситалле и других подложках.

Используется два варианта травления структур: жидкостное химическое травление и  травление с помощью ионной техники (ионное травление).

Жидкостное химическое травление (ЖХТ) классический хорошо отработанный процесс. Широко используется при изготовлении ИМС не очень высокой степени интеграции, а также при изготовлении гибридных ИМС. При ЖХТ происходит химическая реакция травимого вещества с травителем с образованием растворимого химического вещества, которое смешивается с травителем и удаляется в месте с ним. Следует иметь ввиду, что чем толще вытравливаемый слой, тем больше размывается рисунок.

Недостатки:

- при обработке увеличивается минимальная ширина линии;

- чтобы протравить, необходимо материал извлечь в атмосферу, что ведет к загрязнению поверхности материала  сорбированными газами атмосферы;

- загрязнение поверхности травителем и промывочными жидкостями;

- подтравливание вещества под защитной маской, что ведает к увеличению минимальной ширины линии (Lmin);

- для травления различных материалов требуются разные травящие составы.

 

 

Для производства СБИС жидкостное химическое травление не пригодно, так как при этом невозможно получить необходимую малую Lmin.

 

Варианты травления с помощью ионной техники.

Ионное травление (ИТ) – удаление слоев происходит вследствие воздействия кинетической энергии ионов инертных газов. Ионное травление в свою очередь подразделяют на ионно-плазменное (ИПТ) и ионно-лучевое травление (ИЛТ).

При ИПТ между электродами  газоразрядного  промежутка горит тлеющий разряд  в аргоне при давлениях 1-100 Па. Подложки помещают на отрицательный электрод газоразрядного промежутка. Атомы мишени выбиваются ионами аргона (катодное распыление). Энергия, которых может составлять десятки – сотни электрон-вольт. Поскольку в тлеющем разряде напряжение и ток разряда жестко связаны с давлением газа, при использовании этого метода почти невозможно регулировать энергию ионов бомбардирующих мишень, что является одним из недостатков метода. Второй недостаток – загрязнение поверхности сорбированными газами, так как в давление в промежутке не может быть меньше одного паскаля.

При ИЛТ устраняются оба эти недостатка ИТ. Установка ионно-лучевого травления состоит из двух камер, высокого (10-100 Па) и низкого давления (10-5-10-7 Па). Между камерами – отверстие для прохождения ионного луча. Каждая камера имеет свою систему откачки. В высоковакуумной части установки располагается электрод с мишенями потенциал, которого можно регулировать в широких пределах, меняя тем самым энергию бомбардирующих ионов. В камере низкого вакуума – источник ионов и система фокусировки ионного луча.

 

К недостаткам ИЛТ можно отнести сложность и высокую цену оборудования.

Плазмохимическое травление (ПХТ) – удаление слоев в этом случае производится за счет энергии химических реакций между ионами или нейтральными атомами химически активных газов и материалом подложки. Реакция должна происходить с образованием летучих соединений. ПХТ подразделяют на плазменное и радикальное травление.

При плазменном травлении подложки поменяют в плазму химически активных газов, и травление осуществляется ионами низкой энергии (1-2 Эв.).

При радикальном – подложки помещаются в камере, отделенной от газоразрядного промежутка металлическими экранами либо электромагнитными полями. Травление осуществляется нейтральными атомами химически активных газов.

Ионно-химическое травление (ИХТ) – в этом случае для травления используется и энергия химических реакций, и кинетическая энергия ионов химически активных газов. ИХТ, так же как и ионное травление подразделяется на  реактивное ионно-плазменное (РИПТ) и реактивное ионно-лучевое (РИЛТ) травление.

При реактивном ионно-плазменном травлении подложки помещаются на положительном или отрицательном  электроде газоразрядного промежутка. Тлеющий разряд горит в химически активных газах при давлении 1-100 Па.

При реактивном ионно-лучевом травлении подложки помещают на электрод в высоковакуумной части установки (аналогичной установке ИЛТ), а пучок химически активных ионов формируют в другой части установки при давлениях 10-100 Па.

Преимущества этого типа травления:

- универсальность травителя: возможность травления любых материалов одним и тем же составом ионов, меняя только их энергию;

- уменьшается размытие изображения по сравнению с химическими методами;

- отсутствует вынос подложек на атмосферу, следовательно, отсутствует загрязнение поверхности посторонними примесями.

Для уменьшения подтравливания слоев, травление проводится с одновременным облучением подложек  лазерным или мощным ультрафиолетовым излучением, достигая таким образом анизотропного травления.

Для анизотропного травления, необходимо использовать подложки с выходом на поверхность кристаллографического направления [100] (наиболее рыхлая грань, с наименьшей плотностью упаковки). Такие подложки даже без излучения травятся анизотропно. (61.5о).

 

 

4. Легирование

Легированием  называется введение примесей в нужные места кристалла в определенной концентрации. Этот процесс состоит из двух стадий: первая - доставка примесных атомов не поверхность; вторая - распределение их по объёму и активизация.

Примеси на поверхность или в приповерхностный слой можно подавать  в виде газовой фазы, либо в виде ионов.

Вторая стадия – термодиффузия (Т = 1000 ¸ 1200 °С). Цель – формирование примесной области нужной глубины и формы. А также активация примесей, для которой необходимо чтобы атомы примеси заняли места атомов кремния в узлах кристаллической решетки. Кроме того, после ионного внедрения примесей кристаллическая решетка частично разрушается (радиационные дефекты). Во время термообработки кристаллическая решетка восстанавливается.

 

Процесс легирования проводят многократно, а значит, процесс диффузии также повторяется. Предыдущие легированные слои расползаются. Поэтому примеси выбирают из следующих соображений:

Коэффициент диффузии у первой примеси ниже, чем у последующих:

Dn1 < Dn2 < Dn3.

Тогда соответственно и температуры диффузии примеси должны выбираться согласно условию:

Т3 > T2 > T1.

При создании микроэлектронных структур происходит многократное пере легирование, поэтому концентрация первой примеси должна быть меньше последующих:

Nd1 < Nd2 < Nd3, иначе пере компенсация примеси и смена типа проводимости не произойдет.

5. Металлизация

Нанесение металлических слоев, то есть металлизацию, в микроэлектронике проводят:

- для создания соединений между элементами микросхемы;

- для изготовления контактных площадок;

- при создании омических контактов;

- при создании  диодов Шотки;

- для формирования рабочих копий  фотошаблонов и пр.

К материалам металлизации предъявляются следующие требования:

- хорошая адгезия к полупроводниковому материалу и к изолирующим слоям;

- устойчивость металла в окислительной атмосфере;

- высокая электропроводность (для алюминия ρ ~1.7·10-6 Ом ∙ см);

- длительный срок службы в условиях повышенной плотности тока;

- технологичность и простота метода нанесения.

Самый распространенный металл для металлизации микросхем на основе кремния – алюминий. Наносят его либо термическим распылением в вакууме, либо ионным распылением с использованием поперечного магнитного поля (магнетронное распыление). Обычно толщина Al пленки 0.1-1мкм при ширине 1-10мкм (отношение d/L обычно 1/10). Расстояние между соседними проводниками (2-3 мкм) не очень малое для того, чтобы нее возникало больших паразитных ёмкостей. Типичные размеры контактных площадок 100×100мкм.

При многослойной алюминиевой разводке изоляцию между слоями Al проводят с помощью SiО2. При этом SiО2 наносят либо методом газо-фазовой эпитаксии, либо электронно-лучевым испарением в вакууме.

 

В интегральных схемах (ИС) средней степени интеграции алюминий используется довольно широко, но при дальнейшем увеличении интеграции всё более существенно проявляются его недостатки:

- алюминий диффундирует в кремний и при малой глубине залегания p-n перехода происходит увеличение токов утечки или происходит «прокол» p-n перехода;

- создает паразитный p-n-переход, если металлизация наносится на n-тип кремния;

- при уменьшении минимальных размеров элементов увеличивается плотность тока, поэтому усиливается термоэлектродиффузия, что увеличивает опасность обрыва проводника;

- алюминий, в ИМС с многослойной разводкой может самопроизвольно  прорастать SiО2 насквозь в виде нитевидных монокристаллов через весь изолирующий слой, что приводит к  короткому замыканию.

Для устранения недостатков алюминия перед нанесением Al формируется подслой из тугоплавкого металла (W, Mo, Pt, Pd, Cr, Ta, Ti и др.).

В качестве альтернативы алюминию отрабатывается применение силицидов тугоплавких металлов (W, Mo, Ta, Ti, V), к недостаткам которых следует отнести более высокое удельное сопротивление (ρ ~1·10-5 Ом ∙ см).

В настоящее время исследуются возможность применения самих тугоплавких металлов в качестве проводников, однако их использование ограничивается в связи с трудностью их распыления.

В ряде случаев качестве проводника  используют сильно легированный Si.

 

 

Выполнение омического контакта – особая операция. Омический контакт должен иметь малое  сопротивление и линейную вольтамперную характеристику. Если не принять ни каких мер и нанести Al на n –типа  Si то получим  диод Шоттки, с   нелинейной вольтамперной характеристикой:

.

Но , и если z << 1, то можно ограничиться первыми членами ряда:

, а это возможно тогда когда eU << kT  (условие вырождения полупроводника).  Это возможно при очень высокой концентрации примесей   ~ 1019 -1020 см-3. При этом вольтамперная характеристика становится линейной.

.

Зонная диаграмма контакта металл – полупроводник (омический контакт):

 

L – ширина обедненной области p-n-перехода:

-- для p-n-перехода.

Для контакта металл – полупроводник N* = Nd,   Uкр = eφм – eφп/п.

Так как эта обедненная область очень узкая (~ 10 Å), то электроны практически свободно туннелируют (при < 50 Å) через этот потенциальный барьер.

 

 

Лекции полностью!

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить