на поверхности Si 2Р2О5 + 5Si -> 5SiO2 + 4Р

Пары жидких диффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элемен­тов, например:

4РОС13 + ЗО2 => ЗР2О5 + 6С12

Диффузия из газообразных и жидких источников проводит­ся в однозонной диффузионной печи с резистивными нагрева­телями 5 (Рисунок 6.3.1,а, в).

Способы проведения двухстадийной диффузии примесей в поверхность полупроводниковых пластин

Способ диффузииТип примесиОсобенностиДиффузия в открытой трубеВ, Р, Sb (твердый, жидкий, га­зообраз­ный источ­ники)Легкая управляемость составом ПГС, ско­ростью газового потока; атмосферное дав­лениеАмпульныйAs (твер­дый источ­ник)Большая трудоемкость и себестоимость (од­норазовое использование ампулы); безопас­ность диффузии мышьяка; вакуум 10-2 -10-3 ПаБокс-методВ, Р, Sb

(твердый источник)Широкие пределы регулирования концентра­ции примеси, отсутствие влияние газового по­тока; атмосферное давление

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (Рисунок6.3.1, б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной ЎЄ кассету с пластинами 4. Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носи­тель захватывает атомы примеси и переносит их в зону располо­жения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффун­дируют в глубь кремниевых пластин.

В качестве поверхностного источника используют легиро­ванные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллическо­го кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде.

Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управ­лять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к плас­тине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположе­ния относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса и др.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10~2 ЎЄ 10~3 Па или заполняют инертным газом и запаивают (Рисунок 6.3.2). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200° С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1 диффузионной печи с нагревателем 3.

При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно провопить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирова­ния до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная ток­сичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.

После проведения процесса ампулу разрушают (вскры­вают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ при­меняют преимущественно при диффузии мышьяка.

Диффузия в по л у герметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диф­фузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем

Рисунок 6.3.2. Схема процесса диффу­зии в замкнутом объеме:

1 - кварцевая труба; 2 - ампу­ла; 3 - нагреватель; 4 ЎЄ крем­ниевые пластины; 5 - источник примеси

Рисунок 6.3.3. Схема процесса диффу­зии бокс-методом:

1 - кварцевая труба; 2 - ампула; 3 ЎЄ нагреватель; 4 ЎЄ кремние­вые пластины; 5 - источник примеси; 6 ЎЄ выходное отвер­стие; 7 ЎЄ пришлифованная крышка

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную кон­центрацию примеси. Преимуществом перед ампульным спосо­бом является возможность многократного применения квар­цевой ампулы.

6.4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ
Преимущества ионной имплантации позволили этому методу выйти за рамки исследовательских лабораторий и шагнуть, в промышленность. Ионная имплантация позволяет не только существенно повысить эффек­тивность, снизить себестоимость и процент брака при производстве некоторых существующих типов полупроводниковых приборов, но и соз­давать принципиально новые приборы. Например, при создании высокоомных резисторов обычной технологией возникали трудности из-за больших размеров этих резисторов. Если же использовать ионное ле­гирование, то можно довольно легко получить высокоомные слои с небольшими размерами. В последнее время ,применяя ионную технологию ,были получены, а затем качественно улучшены варакторы, IMPATT -диоды, МОП-транзисторы.

Наряду с легированием полупроводников, ионные лучи находят при­менение и для осуществления травления материалов. В основу положен факт приблизительного равенства объемов веществ различной природы, распыляемых частицами малых энергий. Следовательно, распыление плен­ки фоторезиста и материала в окнах этой пленки происходит примерно с одной скоростью. В данном процессе полностью отсутствует подтрав фигур травления и потому очень точно воспроизводится рисунок фото­резиста.

Новые возможности применения ионного луча, такие ,как ионолитография, селективное осаждение пленок из ионных пучков и др., откры­вает широкие перспективы ионнолучевой технологии для создания полу­проводниковых приборов и ИС.

Технологическое оборудование, использующее ионные лучи, разли­чается по своему конструктивному решению, мощности, степени авто­матизации, однако все это основано на одинаковом принципе дейст­вия - ионизация атомов, сепарация и ускорение ионов до необходимой энергии и внедрение их в образцы.

Автомат ионнолучевого легирования "Иолла-2" имеет следующие ос­новные технические данные:

энергия ионов - 10-75 кэВ;

максимальная температура мишени- 600°С;

предельное давление в рабочей камере - I-T0 мм рт.ст.;

рабочее давление в источнике ионов - 10-10 мм рт.ст.;

угол отклонения ионного пучка - 60°;

точность измерения введенной дозы - 5%;

плотность тока пучка ионов - до 10 мкА/мм;

размер обрабатываемых пластин - 15x15 тг

Принципиальная схема автомата представ; на рисунке 1.
Схема полностью соответствует рассмотренному принципу построе­ния ионнолучевых установок. Смесь газа, содержащая легирующий элемент, вводится в источник ионов (ИИ) в ионизационную камеру, где молекулы газа ионизуются электронами, эмиттируемыми катодом. Магнитное поле постоянного магнита обеспечивает большую степень ионизации. Образовавшиеся положительно заряженные ионы вытягивают­ся из щели ионизатора напряжением I-5 кВ и предварительно ускорен­ные поступают в камеру масс-сепаратора, а оттуда в рабочую камеру. Щелевая диафрагма, которая располагается перед входом в камеру, пропускает отсепнрированный пучок ионов на образец. Контроль тока пучка осуществляется тонким зондом, помещенным на его пути, а весь ток можно определить с помощью заслонки, которая препятствует пучку попадать на образец. Зонд регистрирует порядка 1% полного тока.

Рисунок 6.4.1 Принципиальная схема ионнолучевого автомата “Иолла-2”.

После окончания легирования вилка поворачивается и выгружает оправку с образцом кассету шлюза выгрузки и переходит к шлюзу загрузки для приемки нового образца. Загруженный образец поворачи­вается в положение для прогрева и легирования. Так повторяемся цикл, пока вся серия загруженных заготовок не будет пролегирована. Авто­мат останавливается и производится смена кассет в шлюзах.

Рисунок 6.4.2. Механизм сканирования:

I-фланец; 2-высоковольтный керамический держатель; 3-контактная группа; 4-вилочный держатель образцов; 5-раддационннй подогреватель образцов; 6- продольная направляющая; 7-ведомый вал; 8-двигатель; 9-вильсоновское уплотнение рабочей оси; 10-рабочая ось; II-блок микро­переключателей; 12-собачка; 13-храповое колесо; 14-кулачок; 15-собачка.

Вакуумная схема установки приведена на рисунке 3.Она состоит из линии предварительного разряжения и линии выcокого вакуума. Пред­варительное разряжение создается механическим насосом I (BH6-2) с производительностью 5 л/сек. Откачка на высокий вакуум осуществляет­ся диффузионным насосом H5C-MI (ДНИ и ДНП). Откачка рабочей камеры и источника ионов производится через электромагнитные краны ЭМ1 и ЭМ2 и форвакуумную ловушку ФЛ-I, которая необходима для предотвра­щения попадания паров масла их механического насоса в откачную си­стему. Электромагнитные краны ЭМЗ и ЭМ4 позволяют откачивать шлюзы загрузки (ШЗ) и выгрузки (ШВ) и систему напуска газов на форвакуум при включенных диффузионных насосах. С помощью: крана ЭМ-5 проводит­ся разгерметизация шлюзов. Напуск газа в источник ионов осуществля­ется с помощью натекателей HI и Н2.

Высокий вакуум создается диффузионными насосами со скоростью откачки 500 л/сек при давлении 0.001 мм pт.ст. Предельное давление 2-5*10(-7) мм рт.ст. обеспечивается этими насосами благодаря использованию масла с высокой упругостью паров. Вакуум контролируется известными методами. Давление в форвакуумной части и в системе на­пуска измеряется термопарными манометрами ПМТ-4М, а высокий вакуум ионизационным манометром ПМИ-2.

Для предотвращения попадания паров масла в рабочий объем у на­сосов ДНП и ДНИ имеются водяные ловушки Л1 и Л2.

7. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ИЭОТ
Масочные методы. Метод свободных масок. Классификация масок и методы получения. Метод контактных масок. Пример формирования рисунка. Литографические методы. Фотолитография. Определение. Классификация. Контактная фотолитография. Фоторезисты (ФР), виды, требования к ним, методы нанесения. Фотошаблоны (ФШ). Виды, требования к материалам, технология получения ФШ. Типовой технологический процесс контактной ФЛГ. Проекционная ФЛГ. Достоинства и недостатки. Пошаговое экспонирование. ФЛГ с микрозазором. Сопоставление характеристики методов ФЛГ. Электрополитография.Сканирующая и проекционная. Проецирование в уменьшенном масштабе. Резисты для субмикронной литографии. Рентгенолитиграфия. Шаблоны для нее. Достоинства реальные и потенциальные. Проблемы. Ионнолитография. Суть и основные преимущества. Сравнительные характеристики методов литографии. Формирование рисунка элементов ИС. «Фрезерованием» остросфокусированным потоком частфд: электронов, ионов, нейтральных частиц. Излучение оптического квантового генератора.
7.1 Масочные методы. Метод свободных масок. Классификация масок и методы получения. Метод контактных масок. Пример формирования рисунка. Литографические методы. Фотолитография. Определение. Классификация.
Литография ЎЄ это процесс формирования в актиночувствительном слое, нанесенном на поверхность подложек, рельефного рисунка, повто­ряющего топологию полупроводниковых приборов или ИМС, и после­дующего переноса этого рисунка на подложки.

Актиночувствительным называется слой, который изменяет свои свойства (растворимость, химическую стойкость) под действием актиничного излучения (например, ультрафио­летового света или потока электронов).

Литографические процессы позволяют!

получать на поверхности окисленных полупроводниковых подложек свободные от слоя оксида области, задающие кон­фигурацию полупроводниковых приборов и -моментов ИМС, в которые проводится локальная диффузия примесей для создания p-n-переходов;

формировать межсоединения элементов ИМС;

создавать технологические маски из резистов, обеспечи­вающие избирательное маскирование при ионном легировании.

Широкое применение литографии обусловлено следующими достоинствами: высокой воспроизводимостью результатов и гибкостью технологии, что позволяет легко переходить от од­ной топологии структур к другой сменой шаблонов; высокой разрешающей способностью актиничных резистов; универсаль­ностью процессов, обеспечивающей их применение для самых разнообразных целей (травления, легирования, осаждения); высокой производительностью, обусловленной групповыми методами обработки.

Процесс литографии состоит из двух основных стадий:

формирования необходимого рисунка элементов в слое актиночувствительного вещества (резиста) его эспонированием и проявлением;

травления нижележащего технологического слоя (диэлектрика, металла) через сформированную топологическую маску или непосредственного использования слоя резиста в качестве топологической маски при ионном легировании.

В качестве диэлектрических слоев обычно служат пленки диоксида SiO2 и нитрида Si3N4 кремния, а межсоединений ЎЄ пленки некоторых металлов. Все пленки называют техноло­гическим слоем.

В зависимости от длины волны ис­пользуемого излучения применяют следующие методы литографии:

фотолитографию (длина волны актиничного ультрафиоле­тового излучения л =250 ЎK 440 нм);

рентгенолитографию (длина волны рентгеновского излу­чения л =0,5 ЎK 2 нм);

электронолитографию (поток электронов, имеющих энер­гию 10 - 100 КэВ или длину волны л = 0,05 нм);

ионолитографию (длина волны излучения ионов л = 0,05 ЎK 0,1 нм).

В зависимости от способа переноса изображения методы литографии могут быть контакт­ными и проекционными, а также непосредственной генерации всего изображения или мультипликации единичного изображе­ния. В свою очередь, проекционные методы могут быть без изменения масштаба переносимого изображения (Ml : 1) и с уменьшением его масштаба (М 10 : 1;М 5 : 1).Классификация методов литографии приведена на рисунке 7.1.1.

В зависимости от типа используемого р е з и с та (негативный или позитивный) методы литографии по характеру переноса изображения делятся на негативные и позитивные (Рисунок 7.1.2).

Литография является прецизионным процессом, т. е. точ­ность создаваемых рисунков элементов должна быть в преде­лах долей микрометра (0,3 - 0,5 мкм). Кроме того, различные методы литографии должны обеспечивать получение изображе­ний необходимых размеров любой геометрической сложности, высокую воспроизводимость изображений в пределах полупро­водниковых кристаллов и по рабочему полю подложек, а также низкий уровень дефектности слоя сформированных масок. В ином случае значительно снижается выход годных изделий.

Для выполнения этих требований необходимы:

применение машинных методов проектирования и автома­тизации процессов изготовления шаблонов;

повышение воспроизведения размеров элементов, точности совмещения и использование низкодефектных методов фор­мирования масок;

Рисунок 7.1.1. Классификация методов литографии

Рисунок 7.1.2. Формирование рельефа изображения элементов (а - в) при использовании негативного (7) и позитивного (II) фоторезистов: 1 - ультрафиолетовое излучение, 2, 3 - стеклянный фотошаблон и нанесенная на него маска, 4 - слой фоторезиста на кремниевой подложке, 5 ЎЄ технологический слой для формирования рельефа рисунка, 6 - кремниевая подложка

внедрение оптико-механического, химического и контроль­ного оборудования, обеспечивающего создание рисунков эле­ментов с заданными точностью и разрешающей способностью;

применение новых технологических процессов генерации и переноса изображения с использованием контактных, проек­ционных методов фотолитографии, голографии, электронно­лучевой и лазерной технологии;

разработка технологических процессов прямого получения рисунка элементов микросхем, минуя применение защитных покрытий, развитие элионных процессов.

Литографические процессы непрерывно совершенствуются: повышается их прецизионность и разрешающая способность, снижается уровень дефектности и увеличивается производи­тельность.

7.2 Контактная фотолитография

Технологический процесс фотолитографии можно разделить на три стадии:

формирование фоторезистивного слоя (обработка подло­жек для их очистки и повышения адгезионной способности, нанесение фоторезиста и его сушка);

формирование защитного рельефа в слое фоторезиста (совмещение, экспонирование, проявление и сушка слоя фо­торезиста, т. е. его задубливание);

создание рельефного изображения на подложке (травление технологического слоя ЎЄ пленки SiO2, Si3N4, металла, удале­ние слоя фоторезиста, контроль).

Последовательность выполнения основных операций при фотолитографии показана на рисунке 3.

Поверхность подложек предварительно очищают, чтобы обеспечить их высокую смачиваемость и адгезию фоторезиста, а также исключить посторонние включения. Затем на подложки тонким слоем наносят слой фоторезиста (светочувствительную полимерную композицию) и сушат его для удаления раствори­теля.

Совмещение фотошаблона с подложкой и экспонирование выполняют на одной установке. Цель операции совмещения ЎЄ совпадение рисунка фотошаблона с нанесенным на предыдущей операции на подложку рисунком. Далее слой фоторезиста экспонируют ЎЄ подвергают воздействию ультрафиолетового

Рисунок 7.2.1. Последовательность выполнения основных операций при фото­литографии
излучения через фотошаблон. В результате этого рисунок с фотошаблона переносится на слой фоторезиста.

При проявлении слоя фоторезиста отдельные его участки вымываются и на подложке при использовании позитивного фоторезиста остаются неэкспонированные (незасвеченные) участки, а если применялся негативный фоторезист, то экспонирован­ные. Затем слой фоторезиста термообрабатывают при повышен­ной температуре, т. е. задубливают, вследствие чего происходит его частичная полимеризация и повышается стойкость к травителю.

Заканчивается процесс фотолитографии травлением неза­щищенных фоторезистом участков подложки, созданием рель­ефного рисунка на технологическом слое и удалением остат­ков фоторезиста. Таким образом, слой фоторезиста служит для передачи рисунка с фотошаблона на технологический слой.

ПОЗИТИВНЫЕ И НЕГАТИВНЫЕ ФОТОРЕЗИСТЫ

Фоторезисты ЎЄ это светочувствительные материалы с изменяю­щейся по действием света растворимостью, устойчивые к воздействию травителей и применяемые для переноса изображения на подложку.

Фоторезисты являются многокомпонентными мономерно-полимерными материалами, в состав которых входят: свето­чувствительные (поливинилциннаматы ЎЄ в негативные фото­резисты и нафтохинондиазиды - в позитивные) и пленко­образующие (чаще всего это различные фенолформальдегид-ные смолы, резольные и новолачные смолы) вещества, а также растворители (кетоны, ароматические углеводороды, спирты, диоксан, циклогексан, диметилформамид и др.).

В процессе фотолитографии фоторезисты выполняют две функции: с одной стороны, являясь светочувствительными материалами, они позволяют создавать рельеф рисунка элементов, а с другой, обладая резистивными свойствами, защищают технологический слой при трав­лении.

Как уже отмечалось, рельеф образуется в результате того, то под действием актиничного излучения, падающего через фотошаблон на определенные участки слоя фоторезиста, он изменяет свои первоначальные свойства. Для большинства фоторезистов актиничным является ультрафиолетовое излу­чение. .

В основе создания рельефа в пленке негативных фоторезис­тов лежит использование фотохимической реакции фотопри­соединения - фотополимеризацш, а в пленке позитивных фоторезистов - реакции фоторазложения - фотолиза.

При фотополимеризации происходит поперечная сшивк; молекул полимера, в результате чего они укрупняются. Поел* экспонирования под действием актиничного излучения изме няется структура молекул полимера, они становятся трехмер ными и их химическая стойкость увеличивается.

При фотолизе в фоторезисте под воздействием актиничного излучения у молекул полимера происходит обрыв слабых связей и образуются молекулы менее сложной структуры. Таким образом, фотолиз является процессом, противоположных фотополимеризации. Получающийся в результате фотолиз, полимер обладает пониженной химической стойкостью.

Многие полимерные вещества, из которых изготовляю: фоторезисты, содержат функциональные группы, поглощающие свет в ультрафиолетовой области спектра. Собственная светочувствительность полимера при введении в него специальные добавок ЎЄ стабилизаторов и сенсибилизаторов* может изменяться в широких пределах. Одна и та же добавка для различных полимеров может служить и стабилизатором и сенсибили­затором. Объясняется это тем, что эффект действия добавок определяется не только их химическим составом, но и энерге­тическим взаимодействием с исходным полимером.

В зависимости от характера протекающих в фоторезисте фотохимических реакций определяется и тин фоторезиста ЎЄ позитивный или негативный.

Негативные фоторезисты под действием актиничного излучения образуют защищенные участки релье­фа. После термообработки - задубливания - в результате ре­акции фотополимеризации освещенные при экспонировании участки не растворяются в проявителе и остаются на поверх­ности подложки. При этом рельеф представляет собой негатив­ное изображение элементов фотошаблона.

В качестве негативных фоторезистов применяют составы на основе сложного эфира поливинилового спирта

и коричной кислоты С6Н5ЎЄСН = СНЎЄСООН . Эти составы называют поливинилциннаматами (ПВЦ) и их формула имеет вид R1 ЎЄ [O ЎЄ R2]n , где R1 ЎЄ макромолекула поли­винилового спирта, содержащая большое количество атомов; R2 - светочувствительные циннамоильные группы, представ­ляющие собой продукты коричной кислоты.

Молекулы ПВЦ представляют собой длинные спирали, состоящие из десятков тысяч атомов (молекулярная масса до 200 тыс. ед.). При поглощении фотонов ультрафиолетового из­лучения в результате фотохимической реакции фотополиме­ризации происходит разрыв слабой двойной связи ЎЄ С = С -циннамоильной группы и образовавшиеся свободные связи сшивают молекулы полимера в химически стойкую трехмер­ную структуру.

В зависимости от способов получения и свойств исходных продуктов фоторезисты на основе ПВЦ могут обладать раз­личными характеристиками по светочувствительности, разре­шающей способности, кислотостойкое и др.

Фоторезисты на основе ПВЦ представляют собой белый порошок, растворяющийся в органических растворителях (смесях толуола с хлорбензолом, ацетата этиленгликоля с метаксилолом и др.). Проявителями для этих фоторезистов служит трихлорэтилен или его смесь с изопропиловым спир­том. Время проявления 0,5 ЎЄ 1 мин. Фоторезисты на основе ПВЦ имеют удовлетворительную кислотостойкость: они не выдерживают воздействия концентрированной плавиковой кис­лоты, но устойчивы к травителям с небольшим ее содержанием.

Повышенной кислотостойкостью обладают негативные фо­торезисты на основе изопропилового каучука, циклокаучука и других каучуков с различными добавками. Так как сами каучуки не являются светочувствительными веществами, в состав фоторезистов вводят светочувствительные диазосоеди-нения ЎЄ сенсибилизаторы. Под действием света молекула диа-зосоединения разлагается с потерей молекулы азота, образуя новые вещества ЎЄ нитрены, которые вступают в реакцию с мак­ромолекулами каучука. В результате образуется стойкая трех­мерная структура. Растворителем для таких фоторезистов служит смесь ксилола с толуолом, а в качестве проявителей исполь­зуются составы на основе ксилола^ толуола, уайт-спирита.