11.4.2. Процесс литографии

Шаблоны

Для производства ИС применяются шаблоны с высокойстепенью 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.

Рис. 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

Даже самая простая ИС изготавливается с применениемнескольких 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.