Файл: 000810.pdf

Проекційна фотолітографія висуває вищі вимоги до площинної поверхні пластини, потужності і монохроматічності УФ-джерела, рівномірності товщини фоторезистивного шару.

Не дивлячись на технічні труднощі, проекційна фотолітографія є найперспективнішим оптичним методом отримання конфігурації елементів ІМС.

Електронолітографія. Метод електронолітографії полягає у формуванні топологічних конфігурацій з субмікронними розмірами на пластині або шаблоні, покритих резистом, за допомогою електронного променя. Метод заснований на нетермічній взаємодії прискорених електронів з електронорезистом, здійснюваній у вакуумних установках.

Електронорезист – нечутливий до видимого і ультрафіолетового випромінювання полімерний матеріал, який змінює свої властивості при взаємодії з електронами (як електронорезист іноді використовують і фоторезисти).

Електронне бомбардування викликає збудження і іонізацію молекул електронорезиста. При цьому, маючи запас великої енергії, електрони розривають майже всі хімічні зв'язки на своєму шляху і відбувається деструкція електронорезисту. Одночасно відбувається поперечне зшивання молекул – структура електронорезисту. Оскільки в кожному конкретному полімері один з цих ефектів переважає, електронорезисти (аналогічно фоторезистам) поділяються на негативні і позитивні. Ступінь структури негативних електронорезистів і деструкція позитивних електронорезистів пропорційні дозі опромінювання (величині заряду електронів на одиницю площі). Для повного протікання цих процесів енергія електронів повинна бути достатньою, щоб довжина їх вільного пробігу перевищувала товщину шару електронорезисту. Для цих цілей застосовують установки з прискорюючою напругою більше 10 кВ, що відповідає довжині хвилі електронів 100 – 50 нм. Тим самим досягається формування топологічних конфігурацій з розмірами елементів 0,1 – 0,2 мкм.

У наш час доведена принципова можливість отримання електронних пучків з довжиною хвилі менше 0,1 нм, тобто роздільна здатність електронолітографії може досягати значень, близьких до 0,1 нм.

Особливість електронолітографії – відсутність необхідності в попередньому викреслюванні оригіналу топології в збільшеному масштабі з подальшим багатократним її зменшенням до розмірів оригіналу. Топологію в масштабі 1 : 1 можна переносити на пластину або шаблон шляхом управління електронним пучком безмасочним способом. Розроблені різні варіанти технології електронолітографії. На практиці найбільше поширення набули два методи електронолітографії: оброблення сфокусованим одиничним пучком (скануюча електронолітографія) для безпосереднього формування топології на

132

пластині і електронна проекція всього зображення (проекційна електронолітографія) на пластину в істинному або зменшеному масштабі.

Скануюча електронолітографія заснована на формуванні зображення при переміщенні (скануванні) сфокусованого пучка електронів по поверхні, покритої електронорезистом, під впливом електричного і магнітного полів за заданою програмою. Для її реалізації застосовують растрові електронні мікроскопи (РЕМ) або спеціалізовані електроннопроменеві прискорювачі (ЕПП).

Проекційна електронолітографія заснована на передаванні всього топологічного рисунка шаблону на пластину з електронорезистом. При цьому передавання рисунка може здійснюватися в істинному ( 1 : 1 ) або зменшеному маштабі.

Метод проекційної електронолітографії відрізняється високою продуктивністю і тривалим терміном служби фотокатода.

Рентгенолітографія. Метод рентгенолітографії заснований на взаємодії характеристичного рентгенівського випромінювання з рентгенорезистами, що приводить до зміни їх властивостей збільшенню або зменшенню стійкості до проявників.

Характеристичне рентгенівське випромінювання викликається взаємодією прискорених електронів з електронами внутрішніх оболонок атомів матеріалу мішені в процесі її опромінювання, в результаті електрони атомів мішені переходять з внутрішніх оболонок на зовнішні або покидають атом. При цьому переходи електронів на внутрішні оболонки атома, що звільнилися, супроводжуються характеристичним рентгенівським випромінюванням з довжиною хвилі 0,1—10 нм.

Рентгенорезисти полімерні матеріали, які руйнуються (позитивні) або зшиваються (негативні), під дією рентгенівських променів. В хімічних перетвореннях руйнування або зшивання молекул рентгенорезисту основну роль відіграють електрони, що звільнилися при опромінюванні з внутрішніх оболонок атомів.

На практиці найчастіше використовують позитивний резист на основі поліметилметакрілата (РММА), який застосовують також в електронолітографії. Він відрізняється високою стабільністю властивостей, нестійкістю до ультрафіолетового опромінювання, стійкістю до дії кислот (окрім соляної) при проявленні.

У технології мікроелектроніки використовують проекційний метод рентгенолітографії, аналогічний методу фотолітографії на зазорі: між пластиною, на яку нанесений рентгенорезист, і джерелом рентгенівського випромінювання поміщають шаблон, що відображає конфігурацію одного топологічного шару ІМС. При опромінюванні зображення шаблону проектується на резист. Можливе одночасне опромінювання декількох пластин.

133

Іонно-променева літографія. Вона заснована на використовуванні іонів гелію для експонування поверхні пластин, покритих резистом. Розрізняють два методи іонно-променевої літографії:

−скануюча іонно-променева літографія;

−проекційна іонно-променева літографія з шаблоном.

Скануюча іонно-променева літографія з сфокусованим променем аналогічна скануючій електронолітографії. Для її реалізації використовують установки безпосередньої репродукції (БПР) зображення на пластину. В установці БПР іони, що виходять з джерела, формуються в промінь системою лінз і фокусуються на пластині, покритої резистом. Для експонування сфокусований промінь встановлюється в точно задане положення і сканується по невеликому квадратному полю на поверхні пластини за допомогою електростатичної відхиляючої системи. Розміри поля сканування обмежені (не більше 1 мм2 ) через збільшення перерізу променя на краях поля. Передавання зображення на всю поверхню пластини досягається з'єднанням спеціальних міток, розташованих на кожному полі. Така літографія застосовна для створення елементів з особливо малими розмірами — від 0,03 до 0,3 мкм, що досягається малим розсіюванням сфокусованого іонного променя.

Проекційна іонно-променева літографія з шаблоном заснована на опромінюванні коллімірованним променем шаблону, що знаходиться на невеликій відстані від покритої резистом пластини. Отвори в поглинаючій іони плівці, розташованій на шаблоні, визначають експоновану конфігурацію топології. Така літографія аналогічна рентгенолітографії. В обох методах використовуються несфокусовані джерела опромінювання і майже однакові шаблони.

9.4 Легування напівпровідників дифузією

Методи легування напівпровідників. В сучасній технології виготовлення напівпровідникових ІМС і БІС легування напівпровідників є одним з базових процесів. Неухильна швидкодія і ступінь інтеграції ІМС як біполярних, так і МДН-ІМС, досягається постійним зменшенням геометричних розмірів напівпровідникових структур за рахунок вдосконалення методів локального легування напівпровідників при відповідному підвищенні якості і роздільної здатності методів літографії.

За ознакою спільності фізичних явищ і технологічних прийомів сучасні методи легування можна поділити на такі основні групи (рис. 9.2):

−високотемпературна дифузія;

−іонна імплантація;

134

− радіаційно-стимулююча дифузія.

Методи легування напівпровідників

Для кожної групи характерне використовування спеціалізованого технологічного устаткування, що забезпечує проведення процесу в строго контрольованому режимі. Оскільки основні характеристики ІМС визначаються параметрами р-n-переходів і легованих областей, які залежать від розподілу домішок в структурах при легуванні, до процесів легування висувають жорсткі вимоги з прецизійності геометричних розмірів легованих областей і точності розподілу концентрації домішки. Це, у свою чергу, обумовлює вимоги до технологічних режимів процесів легування із забезпечення заданого розподілу введеної домішки.

Високотемпературна дифузія. Методи дифузії є основними і найпоширенішими при легуванні напівпровідників.

При дифузії в кристалах розрізняють переміщення домішкових атомів і атомів даного твердого тіла (самодифузія). Швидкість дифузії залежить від градієнта концентрації атомів. Чим більший градієнт концентрації, тим інтенсивніше переміщення атомів.

Теоретично в реальних кристалах передбачається три механізми дифузії: взаємний обмін місцями (обмінний), як в ідеальному кристалі; поміж вузлами; по вакансіях.

Математичний опис дифузійних процесів стосовно ідеальних газів і розчинів був вперше зроблений в 1855 р. А. Фіком у вигляді двох законів, заснованих на рівняннях теплопровідності.

Перший закон Фіка характеризує швидкість дифузії атомів однієї речовини в іншу при постійному в часі потоці цих атомів і незмінному градієнті їх концентрації:

135

Коеффієнт дифузії визначає густина потоку атомів речовини при заданому градієнті концентрації. Оскільки дифузійний потік атомів речовини йде у напрямі вирівнювання перепаду концентрації, то коефіцієнт D (см2 /с) є мірою швидкості, з якою система здатна за заданих умов вирівняти різницю концентрацій. Ця швидкість залежить тільки від рухливості дифундуючих атомів в кристалічних гратках напівпровідника.

Швидкість дифузії залежить від кристалографічного напряму, проте за звичайних умов в напівпровідниках виявляється тільки слабка анізотропія. Крім того, при підвищених температурах в реальному технологічному процесі переважне переміщення атомів в найбільш «вигідному» кристалографічному напрямі перекривається безладним броунівським тепловим рухом атомів.

Градієнт концентрації при об'ємній дифузії має три складових по координатних осях. Якщо глибина дифузії значно менша поперечних розмірів площі, на якій вона відбувається, то приймають, що дифузія йде в одному напрямі. Одновимірне рівняння Фіка має вигляд

де j(x) – густина потоку або число атомів речовини, переносних в

одиницю часу через одиничну площу; dN / dx – градієнт концентрації дифундуючої домішки у напрямі дифузії.

Другий закон Фіка визначає швидкість накопичення розчиненої домішки в будь-якій площині, перпендикулярній напряму дифузії. Для одновимірного випадку

dN/dt=[d/dx·D·dN/dx], (9.6)

де dN/dt – зміна концентрації дифундуючої речовини в часі.

У загальній формулі (9.6) враховується можлива залежність коеффіцеєнта дифузії від концентрації домішки, оскільки частота обміну місцями атомів залежить від структури напівпровідника. Якщо коефіцієнт D вважати постійним, то рівняння (9.6) прийме вигляд

При цьому передбачається, що температура дифузійного процесу і, отже, значення коефіцієнта дифузії D , дуже залежного від температури, залишаються незмінними. Проте якщо концентрація дифундуючої домішки достатньо велика, то коефіцієнт дифузії також залежить від неї, що необхідно враховувати при розв’язанні рівняння (9.7).

136