книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

7. Технология изготовления микросхем

фическую плоскость с точки зрения качества разделения пластины на от­ дельные кристаллы.

2.Предварительное грубое совмещение по границам крайних моду­ лей, имеющее целью исключить разворот пластины и фотошаблона относи­ тельно вертикальной оси z.

3.Точное совмещение, исключающее смещение рисунков фотошаб­ лона и пластины по осям х и у.

Для точного совмещения используют специальные знаки совмещения с контролируемым зазором, которые входят в состав топологических рисунков соответствующих слоев. Совмещение считается выполненным, если при вве­ дении одного знака внутрь другого по всему контуру просматривается зазор.

Номинальным зазором называется равномерный по всему контуру за­ зор, который образуется при номинальных (проектируемых) размерах зна­ ков и их точном совмещения (центрировании). Из рис. 7.16, б следует, что

где 5min = 200/Г — предельное разрешение системы «глаз — микроскоп» (200 мкм — линейное разрешение нормального глаза; Г — кратность увели­ чения микроскопа); Ди — абсолютная предельная погрешность фиксации

Рис. 7.16. Совмещение фотошаблона с пластиной:

а — общая схема совмещения; б — схема для расчета номинального зазора между знаками совмещения; / — групповой фотошаблон; 2 — модули для грубого совмещения; 3 — базо­ вый срез на пластине для предварительной ориентации; 4 — групповая пластина; 5 — знак совмещения в модуле пластины; 6 — знак совмещения в модуле шаблона

242

7.9. Фотолитография

изображения на установке совмещения и экспонирования; Дши Д„ — абсо­ лютная предельная погрешность размера знака соответственно на шаблоне и пластине (Дш < Д„).

Таким образом, в зависимости от фактических значений случайных погрешностей реальный зазор может колебаться в пределах от 5тах до 6тт, а абсолютная предельная погрешность совмещения Дс для контролируемого

где Д, — абсолютная предельная погрешность шага расположения модулей на групповом фотошаблоне; Дд0б — дополнительное расширение зазора, ко­ торое может предусматриваться для снижения зрительного напряжения оператора.

Погрешность совмещения учитывается при расчете размеров облас­ тей каждого слоя. Обычно фотошаблон очередного слоя совмещается с предыдущим (по ходу ТП) слоем, уже сформированным на пластине. В частности, слой контактных окон совмещается с эмиттерным слоем, а слой металлизации — со слоем контактных окон. Поскольку контактные окна и металлические контакты формируются одновременно для всех областей структуры, погрешность совмещения накапливается и для эмиттерных об­ ластей составляет 4Ас, для базовых областей — 6Дс, для коллекторных — 8Д;. Поэтому совершенствование процессов литографии (уменьшение Дши Д„) и применяемого оборудования (Д„ и Д,) является важной задачей кон­ структоров и технологов. Влияние погрешности совмещения на размеры областей рассмотрено ниже на примере расчета размеров эмиттерной об­ ласти транзистора.

После выполнения совмещения микроскоп отводится, а на его место подводится осветитель, жестко связанный с микроскопом на каретке (или поворотной турели). Оператор включает осветитель одновременно с реле времени, которое контролирует время экспонирования.

Проявление

Проявление скрытого изображения для негативных фоторезистов за­ ключается в обработке фотослоя органическим растворителем. При этом участки, не подвергшиеся облучению, растворяются, а облученные участки, где при поглощении ультрафиолетового излучения УФ происходит разрыв

243

7. Технология изготовления микросхем

межатомных связей и перестройка структуры (фотополимеризация), сохра­ няются (см. рис. 7.15).

В позитивных фоторезистах на участках, подвергшихся облучению, происходит разрушение структуры (деструкция) с образованием кислоты. Для перевода ее в растворимые слои применяют раствор неорганического соединения со щелочными свойствами (КОН, NaOH и др.).

После отмывки от следов проявителя и сушки полученную фотомаску подвергают тепловому задубливанию (120... 180 °С в зависимости от марки фоторезиста), в результате чего окончательно формируются ее защитные свойства.

Травление

При травлении в жидких травителях используются водные растворы неорганических соединений (обычно кислот). Химический состав и концен­ трация травителя в растворе подбираются так, чтобы поверхностный слой растворялся активно, а нижележащий не растворялся. С травлением в жид­ ких травителях связано не только явление подтравли ван ия под фотомаску, но и разброс величины подтравливания в совокупности элементов одного слоя. К моменту окончания растворения слоя в окне фотомаски боковое травление оказывается примерно равным толщине слоя (рис. 7.17), однако момент окончания травления зависит от размеров вытравливаемого элемен­ та (окна в маске). В процессе травления имеют место отвод продуктов хи­ мической реакции от поверхности в раствор и подвод из раствора свежего травителя. Оба процесса протекают благодаря взаимодиффузии, скорость которой и определяет скорость травления. В мелких элементах массообмен затруднен и скорость травления ниже, чем в крупных элементах. Поскольку

244

7.9. Фотолитография

продукты реакции, а центробежные силы ускоряют отвод отработанного травитсля. Ниже приведены типы применяемых при производстве ИМС травителей.

Здесь к. — концентрированная; рз. — разбавленная; г — горячая.

245

7.Технология изготовления микросхем

7.10.Расчет топологических размеров областей транзистора

При проектировании элементов и областей МС конструктор обязан обеспечить минимально возможные размеры. Если нет ограничений по мощности, то минимальные размеры областей биполярного транзистора ог­ раничены возможностями технологии: атт — минимальный надежно вос­ производимый размер (так называемая конструкторская или топологическая норма); ±ДП— абсолютные предельные отклонения размеров топологиче­ ских элементов на пластине; ±Лс — абсолютные предельные значения по­ грешности совмещения двух смежных слоев на пластине.

Рассмотрим расчет размеров эмиттерной области, с которой начинает­ ся топологическое проектирование транзистора (рис. 7.19).

Сначала определяется минимально возможный номинальный размер металлического вывода над контактным окном /эп) (рис. 7.19, а). При этом должно быть обеспечено гарантированное заполнение металлом контактно­ го окна и с учетом этого требования рассматривается наиболее неблагопри­ ятное сочетание погрешностей (расчет на наихудший случай). Размер кон­ тактного окна можно принять равным топологической норме (/ЭК| > ат1П). Наихудший (критический) случай возникает, если размер /ЭК| оказался вы­ полненным по максимуму (+ДП), а размер 4„i — по минимуму (-Дп). С уче­ том возможного максимального смещения площадки в ту или другую сто­

Далее определяется размер 13\ собственно эмиттерной области (рис. 7.19, б) из условия, что металлическая площадка не должна выступать за пределы области. Наихудший случай, когда размер 4i выполнен по мини­ муму, а размер /ЭП1 — по максимуму. Поскольку при изготовлении рисунок контактных окон совмещался с рисунком эмиттерного слоя, а рисунок ме-

Рис. 7.19. К топологическому расчету эмиттерной области

246

7.11. Осаждение тонких пленок в вакууме

таллизации — с рисунком контактных окон, максимальная погрешность по­ ложения металлической площадки относительно эмиттерной области соста­ вит 2Д; в ту или другую сторону. Согласно расчетной схеме

Для маломощных транзисторов эмиттерная область проектируется квадратной (/э2 = 4i) С повышением мощности периметр эмиттера увеличи­ вают за счет увеличения размера /з2 (с учетом эффекта оттеснения тока в эмиттере к краям области). Аналогичные правила заложены в расчет разме­ ров базовых и коллекторных областей, причем погрешность совмещения этих областей с металлическими контактами продолжает накапливаться, и ее максимальное значение составляет 6Дt для базовых областей и 8Дс — для коллекторных.

7.11. Осаждение тонких пленок в вакууме

Проводники на поверхности кристалла полупроводниковой ИМС, а также пассивные элементы гибридно-пленочных МС создаются на основе тонких пленок толщиной 0,1...2 мкм. Высокая точность по толщине и хи­ мическая чистота для тонких пленок могут быть достигнуты только при вы­ ращивании слоя из атомарного (молекулярного) потока. Такие условия можно создать в вакууме либо при нагреве, испарении и конденсации мате­ риала — термическое вакуумное напыление (ТВН), либо при бомбардиров­ ке твердого образца материала (мишени) ионами инертного газа, распыле­ ния его в атомарный (молекулярный) поток и конденсации на поверхности изделия — распыление ионной бомбардировкой (РИБ).

Термическое вакуумное напыление

Упрощенная схема рабочей камеры термического вакуумного напы­ ления представлена на рис. 7.20.

Процесс проведения операции вакуумного напыления состоит из сле­ дующих действий. В верхнем положении колпака с подложкодержателя снимают обработанные подложки и устанавливают новые. Колпак опускают и включают систему вакуумных насосов (вначале для предварительного разрежения, затем высоковакуумный). Для ускорения десорбции воздуха с внутренних поверхностей и сокращения времени откачки в трубопровод подают горячую проточную воду. По достижении давления внутри камеры порядка 10“* Па (контроль по манометру) включают нагреватели испарителя

247

7.Технология изготовления микросхем

иподложек. При достижении рабочих температур (контроль с помощью термо­ пар) заслонку отводят в сторону и пары вещества достигают подложки, где про­ исходит их конденсация и рост пленки. Система автоматического контроля за ростом пленки фиксирует либо толщину пленки (для диэлектрика пленочных кон­ денсаторов), либо поверхностное сопро­ тивление (для резисторов), либо время напыления (проводники и контакты, за­ щитные покрытия). Вырабатываемый при этом сигнал об окончании напыления по­

теля (/нс) должна обеспечивать достаточно высокую интенсивность испаре­ ния, чтобы время напыления пленки не превышало 1 ...2 мин. В то же время чрезмерно высокая интенсивность приводит к образованию мелкозернистой неустойчивой структуры в пленке, о чем будет сказано ниже.

Интенсивность испарения удобно характеризовать упругостью пара (давлением пара в состоянии насыщения) Р5. Упругость пара для данного

где А и В — коэффициенты, характеризующие род материала (табл. 7.5); Т — абсолютная температура вещества, К.

248

7.11. Осаждение тонких пленок в вакууме

Оптимальной интенсивностью испарения принято считать интенсив­ ность, при которой упругость пара составляет примерно 1,3 Па. Соответст­ вующая этой упругости температура испарения называется условной и может быть вычислена по формуле (7.14). Так, для алюминия она равна 1150 °С, для хрома — 1205 °С, для меди — 1273 °С, для золота — 1465 °С и т. д.

Таблица 7.5. Температуры плавления и испарения некоторых элементов

Примечание. Значения в скобках приведены для твердого состояния.

Рекомендуется испарение электронно-лучевым нагревом или распыление ионной бомбардировкой.

Низкое давление воздуха PQв рабочей камере необходимо для обеспе­ чения свободной диффузии атомов вещества испарителя в объем рабочей камеры, прямолинейного движения атомов вещества без столкновения с мо­ лекулами остаточного воздуха и бесполезного рассеивания материала в объ­ еме камеры, исключения химического взаимодействия напыляемого веще­ ства с молекулами воздуха.

Перечисленные условия обеспечиваются при остаточном давлении Ро < 10^ Па с помощью форвакуумного механического и высоковакуумного диффузионного насосов, включенных последовательно.

249

7. Технология изготовления микросхем

Температура подложки в процессе осаждения оказывает существенное влияние на структуру пленки, а, следовательно, и на стабильность ее элек­ трофизических свойств в процессе эксплуатации.

Атомы вещества поступают на подложку с энергией кТ (к = 8,63 х х10”5 эВ/К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура) и ско­ ростью порядка 1000 м/с. Часть энергии при этом передается поверхност­ ным атомам подложки, а остаточная энергия позволяет им некоторое время мигрировать в поверхностном потенциальном поле. Доля остаточной энер­ гии тем выше, чем выше температура подложки. В процессе миграции атом может либо покинуть подложку (на потенциальном бугре поля), либо час­ тично погасить энергию, вступив во взаимодействие с другим мигрирую­ щим атомом. Полностью потерять способность мигрировать и закрепиться на нагретой подложке (конденсироваться) может лишь многоатомная груп­ па, которая становится одним из центров кристаллизации. При невысокой плотности потока атомов, т. е. умеренной температуре на испарителе, число центров кристаллизации на единицу площади невелико и к моменту образо­ вания сплошной пленки вокруг них успевают вырасти крупные кристаллы.

Снижение температуры подложки и повышение плотности потока приводит к более раннему образованию центров кристаллизации, увеличе­ нию их числа на единицу площади и формированию мелкокристаллической структуры. В процессе эксплуатации ЭА, когда она подвергается периоди­ ческим циклам нагрева и медленного охлаждения, мелкокристаллическая структура постепенно рекристаллизуется в крупнокристаллическую. Элек­ трофизические свойства при этом необратимо изменяются, происходит «старение» пленки. В резистивных пленках, например, со временем наблю­ дается уменьшение удельного сопротивления. Итак, для формирования тон­ ких пленок, стабильных в процессе эксплуатации, необходимо подложку нагревать и не форсировать процесс напыления за счет повышения темпера­ туры на испарителе.

В производстве тонкопленочных структур, как и в случае полупро­ водниковых, используют групповые подложки. Такие подложки имеют прямоугольную форму размером 60x48 мм или 120x96 мм, изготовлены из изолирующего материала (ситалл, поликор, стекло) и рассчитаны на одно­ временное изготовление до нескольких десятков идентичных модулей. Та­ ким образом, свойства напыленной пленки должны быть одинаковы на всей площади групповой подложки.

В первом приближении поток атомов от испарителя к подложке пред­ ставляет собой расходящийся пучок и поэтому плотность потока в плоско­ сти подложки не равномерна: в центре подложки она максимальна и убыва­ ет от центра к периферии. Это означает, что при напылении пленки на не­ подвижную подложку в центральной области подложки образуется более

250

251