Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

кремния является хорошей диэлектрической защитой поверхности для кремниевых планарных приборов.

Большое значение для планарных приборов имеет структур­ ное совершенство окисной пленки. Многочисленные дефекты, воз­ никающие в пленке окисла как в процессе се получения, так и на последующих операциях технологического цикла, могут свести на нет достоинства планарной технологии.

Структурные дефекты на уровне молекулярного строения окис­ ных пленок представляют собой кислородные вакансии, а также локальные внедрения атомов примеси. На практике гораздо боль­ шую роль играют макродефекты в виде нарушений однородности пленки, кристаллических участков стекла, локальных неоднородностей пленки, вызванных различными загрязнениями, и другие дефекты. Наличие макродефектов не только приводит к значитель­ ному ухудшению параметров планарных приборов, но и практи­ чески определяет выход годных планарных структур.

Основной причиной возникновения макродефектов являются случайные локальные загрязнения, вносимые как в процессе полу­ чения окисла, так и в процессе его последующей обработки.

Микродефекты в виде кислородных вакансий и внедренных ионов примесей (преимущественно натрия) обусловливают довольно высокий положительный заряд окисла—порядка 10~8 -ЬІ0~7 Кл/см2 . Наличие положительного заряда способствует образованию либо инверсионного слоя на кремнии р-типа, либо обогащенного я-слоя на кремнии n-типа, что приводит к ухудшению многих электриче­ ских параметров планарных транзисторов.

Стремлением свести к минимуму плотность структурных де­ фектов и объясняются повышенные требования к чистоте процессов в планарной технологии. Эти требования применительно к процессу окисления сводятся к следующему, на первый взгляд простому ус­ ловию: окисляемые пластины, реакционная камера с вводимыми в

нее приспособлениями для загрузки и фиксации пластин, а также окисляющая среда не должны содержать или вносить в процессе окисления неконтролируемых загрязнений. Однако для выполнения

растворами кислот и органических растворителей. Существует нес­ колько различных вариантов отмывок с более или менее сложным технологическим циклом. Лучшим из них, на наш взгляд, является тот, который содержит минимум операций, поскольку сами реакти­ вы в процессе отмывки не являются идеально чистыми и могут внес­ ти неконтролируемые загрязнения. Гораздо выгоднее, учитывая это, проводить операции подготовки кремниевых пластин в строго конт­ ролируемых условиях, с тем, чтобы на операциях химической обра­ ботки пластин удалять загрязнения минимальным числом реагентов. Большое значение имеет финишная отмывка перед окислением. Пос-

23

ле Toto, как с помощью химической обработки с пластин удалены загрязнения, связанные с шлифовкой и полировкой, или загрязне­ ния, попавшие во время хранения пластин с эпитаксиальной струк­ турой, необходимо удалить остатки химических реактивов тщатель­ ной промывкой в высокоомной деионизированной воде, высушить пластины на центрифуге и немедленно поместить в контролируемую обеспыленную среду (осушенный воздух или азот).

Так же тщательно обрабатываются и кварцевые детали системы, периодически промывается магистраль и все детали (лодочки, кас­ сеты, загрузочные приспособления), которые имеют контакт с окис­ ляемыми пластинами или окисляющей средой.

Кислород и увлажняющая вода также специально очищаются. Кислород получают испарением из жидкого кислорода и по возмож­ ности фильтруют через специальный фильтр, задерживающий твер­ дые частицы размером более 0,5 мкм. Увлажняющую воду сначала очищают от металлических ионов, а затем дважды перегоняют в несодержащей натрия кварцевой посуде. Вода заливается в увлаж­ нитель непосредственно перед процессом окисления.

содержащих щелочных загрязнений. Обычно это кварц, фторопласт, винипласт и др. Далее, стараются исключить попадание на пласти­ ны кремния щелочных ионов из футеровки печи в высокотемператур­ ных частях установки. Для этого нитридируют кварцевые трубы, применяют трубу с двойными стенками и потоком газа между ними, выбирают специальные материалы для футеровки. С этой же целью используют держатели пластин из прозрачного кварца и по возмож­ ности их нитридируют. Иногда применяют кремниевые кассеты в качестве держателей пластин. Держатели пластин хранят обычно в трубе окисления, поддерживая небольшой поток чистого кислоро­ да, а непосредственно перед процессом окисления их отжигают в те­ чение определенного времени, помещая в рабочую зону печи.

Для уменьшения вероятности возникновения макродефектов загрузку осуществляют через специальные боксы с ламинарным по­ током обеспыленного воздуха, исключающим попадание загрязне­ ний из внешней среды.

1.4. Создание рельефа в окисной маске с помощью фотолитографических операций

Фотолитография—процесс, позволяющий создать окисную мас­ ку (или другой рельеф) нужной конфигурации с помощью локаль» ного травления в условиях защиты специальными светочувствитель­ ными органическими веществами, называемыми фоторезистами. В основу фотолитографии положено свойство некоторых классов ор­ ганических веществ изменять свою структуру под действием излуче-

24

ния (света). Фотолитографический процесс предполагает нанесение фоторезиста на поверхность подложки, экспонирование светочув­ ствительного слоя через маску нужной конфигурации (фотошаб­ лон), проявление защитного слоя фоторезиста и травление образца.

Кроме светочувствительности, фоторезист должен отвечать це­ лому ряду других требований, таких, как хорошие пленкообразование и адгезия при нанесении, высокая разрешающая способность, достаточная кислотостойкость, способность к обработке в составах, не изменяющих свойств подложки, и т. д. В связи с этим для фото­ литографии на окисленном кремнии, вследствие большой «агрессив­ ности» травителей окисла и одновременно высоких требований к разрешающей способности и светочувствительности, пригодными яв­ ляются лишь две группы фоторезистов [2].

К первой группе относятся негативные фоторезисты на основе циннаматов. Негативные фоторезисты представляют собой линейные полимеры, сшивающиеся под действием ультрафиолетового излуче­ ния в трехмерную структуру, нерастворимую в обычных растворите­ лях. Примерами могут служить отечественный фоторезист — поливинилциннамат и фоторезисты американской фирмы Kodak. Эти фо­ торезисты имеют разрешающую способность более 500 линий на мил­ лиметр, чувствительны к ультрафиолетовой части спектра и в слоях толщиной в несколько десятых микрона удовлетворительно обеспе­ чивают локальное травление окисных пленок кремния в специаль­ ных буферных травителях.

Другая группа фоторезистов — позитивные фоторезисты на ос­ нове диазосоединений — под действием света приобретают способ­ ность растворяться в слабых растворах щелочей. Таковы отечествен­ ные резисты на основе нафтохинондиазидов и американские резисты типа AZ. Эти резисты имеют разрешающую способность порядка 1000—2000 линий на миллиметр даже в сравнительно толстых (до нескольких микрон) слоях, кроме того, они значительно более кон­ трастны и кислотостойки. Существует также еще ряд светочувстви­ тельных составов, отличающихся теми или иными свойствами, одна­ ко они, как правило, не отвечают в полной мере описанным выше тре­ бованиям и в полупроводниковой технологии не применяются.

Перейдем к характеристике основных технологических операций фотолитографического процесса.

Нанесение фоторезиста — первая операция фотолитографичес­ кого цикла — имеет своей целью получить равномерную сплошную пленку фоторезиста нужной толщины с хорошей адгезией к подлож­ ке. Немаловажную роль для получения высококачественного рель­ ефа играет состояние поверхности подложки. Поэтому окисленные пластины кремния поступают на операцию нанесения фоторезиста либо непосредственно после окисления, либо проходят специальную обработку поверхности. Из известных многочисленных способов на­ несения фоторезистов на поверхность кремниевых пластин наиболее распространенным являются нанесение с помощью центрифуги и на­ несение пульверизацией.

25

В планарной технологии кремниевых транзисторов в большин­ стве случаев применяют нанесение центрифугированием, для чего пластину помещают на столик центрифуги, покрывают раствором фоторезиста и вращают со скоростью нескольких тысяч об/мин до высыхания наносимой пленки. Основным параметром пленки фо­ торезиста при нанесении является ее толщина. Исследования пока­ зали, что толщина слоя фоторезиста при прочих равных условиях практически линейно зависит от концентрации раствора фоторезис­ та. Для каждой концентрации и, следовательно, вязкости раствора фоторезиста существует определенная минимальная скорость вра­ щения столика центрифуги; центрифугирование с большей скорос­ тью позволяет получить при нанесении равномерные пленки с вос­ производимостью по толщине не хуже 10%.

Однородность нанесенной пленки, являющаяся безусловным требованием при нанесении, обеспечивается чистотой процессов фор­ мирования светочувствительного слоя. Тщательность очистки рас­ твора фоторезиста, незагрязненная поверхность пластин, специаль­ ное оборудование для нанесения, препятствующее попаданию за­ грязнений из окружающей атмосферы — все это представляет собой условия получения качественного светочувствительного слоя.

Заключительной операцией формирования светочувствитель­ ного слоя является термообработка, которая проводится для улуч­ шения воспроизводимости светочувствительных свойств фоторезистивного слоя. Во время термообработки удаляется остаточный рас­ творитель, находящийся в пленке фоторезиста, что необходимо для придания светочувствительному слою определенной стойкости к механическому воздействию при контактировании с фотошаблоном во время совмещения и экспонирования. Режим термообработки (обычно температура +(80 —120)° С, время 10—30 мин) уточняется опытным путем для каждого конкретного случая, поскольку термо­ обработка зависит как от состава фоторезиста и толщины пленки пос­ ле нанесения, так и от вида оборудования (термостат, сушильная камера), приспособлений (материал и конструкция кассеты для плас­ тин) и. т. д.

После термообработки готовый к экспонированию светочувстви­ тельный слой передается на операцию совмещения и экспонирования.

В технологическом цикле изготовления транзистора последова­ тельно проводят не менее трех фотолитографических обработок, первая из которых образует произвольно расположенный рисунок защитного рельефа, в то время как последующие должны обеспечить строго определенную ориентацию рисунка защитного рельефа, на­ зываемую совмещением. Операция совмещения проводится на специ­ альном оборудовании, позволяющем «вписать» последовательно кон­

?6