Проекционная ФЛГ. 
Плазмохимическое осаждение

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ кафедра ЭТТ РЕФЕРАТ на тему:

«Проекционная ФЛГ. Плазмохимическое осаждение»

МИНСК, 2008

При проекционной литографии изображение с фотошаблона переносится (проецируется) на полупроводниковую подложку с помощью оптических систем — проекционных объективов. Разрешающая способ-ность проекционной фотолитографии 0,6 — 0,8 мкм.

Рисунок 1. Схема установки проекционной фотолитогра-фии без изменения масштаба переноса изображения:

1, 15 — метки координат х, у и углового разворота на подложке, 2 — проекционный объектив, 3 — фотошаб-лон, 4, 12 — метки углового разворота и координат х, у на фотошаблоне, 5, 11 — приводы углового раз-ворота и перемещения фотошаблона, 6, 10 — фотоэлек-трические микроскопы углового разворота и коорди-нат х, у фотошаблона, 7 — блок программного управ-ления, 8 — источник освещения для экспонирования, 9 — высокоскоростной затвор, 13 — полупроводниковая подложка, 14 — предметный столик

Метод проекционной фотолитографии имеет несколько вариантов, которые отличаются масштабами переноса изображе-ния и способами заполнения рабочего поля подложки.

Так, при масштабе 1: 1 изображение с фотошаблона пере-носится с помощью проекционной системы на подложку без изменения размеров элементов (Рисунок 1). Экспонирование мо-жет осуществляться сразу всего рабочего поля подложки или последовательным его сканированием.

При проекционной фотолитографии с уменьшением мас-штаба (обычно 10: 1 или 5: 1) единичное изображение перено-сится с фотошаблона на рабочее поле подложки последователь-ной мультипликацией.

При проекционной фотолитографии, как и при контакт-ной, необходимо точно совмещать фотошаблон с подложкой, для чего служат специальные фигуры —метки совмещения.

В проекционных системах операция совмещения, как пра-вило, выполняется автоматически с помощью фотоэлектричес-кого микроскопа, который регистрирует сигнал, поступающий от метки совмещения на подложке, и сравнивает его с сигналом, поступающим от такой же метки на фотошаблоне. Для сов-мещения меток координатная система перемещает подложку и фотошаблон, а также поворачивает фотошаблон относитель-но оси проекции.

При совмещении меток сигналы равны, а при их смещении возникает разностный сигнал, который поступает в исполнитель-ный механизм системы совмещения, обеспечивающий взаимные перемещения фотошаблона и подложки.

Для совмещения элементов изображений на подложку наносят две группы меток совмещения (Рисунок 2), одна из которых х и у₁ определяет взаимное положение фотошаблона и подложки по координатам, а вторая у_г служит для коррекции угловой ошибки разворота </> фотошаблона относительно коор-динатных осей подложки. Из Рисунок 7.4.2 видно, что метки на под-ложке как бы рассматриваются фотоэлектрическим микроско-пом через соответствующие окна в фотошаблоне. Положению точного совмещения соответствует симметричное располо-жение всех меток на подложке относительно окон на фотошаб-лоне.

Рисунок 2. Метки автоматического совмеще-ния:

4, 6 — метки х, у₁ и у_г на подложке 1,3, 5 — считывающие окна Процесс совмещения начинается с «захвата» меток систе-мой наблюдения фотоэлектрического микроскопа, при котором их изображение на подложке попадает в окна фотошаблона и возникает разностный сигнал в каналах совмещения. При этом система совмещения предварительно совмещает фотошаблон и подложку по координатам в соответствии с метками, а затем, выполняя угловую коррекцию по метке у₂, поворачивает фото-шаблон относительно меток х и у₁.

Наиболее совершенным и перспективным вариантом метода проекционной фотолитографии является помодульный перенос изображения на подложки с промежуточных фотошаблонов (Рисунок 3). Совмещение модулей проводится по меткам, пред-варительно нанесенным на подложку, что обеспечивает высо-кую точность (ошибка совмещения не превышает 0,1 — 0,2 мкм). При помодульном совмещении уменьшается влияние изменения температуры и геометрических искажений подложки на точность передаваемого изображения.

Помодульный перенос изображения наряду с повышением точности передаваемого рисунка элементов обеспечивает сниже-ние плотности дефектов, вносимых в формируемую на слое фоторезиста маску. Это в первую очередь обусловлено тем, что исключается контакт фотошаблона с подложкой. Кроме того, дефекты и загрязнения, значительно меньшие элементов изображения, не переносятся с промежуточного фотошаблона на слой фоторезиста, как это происходит при переносе изоб-ражения с сохранением масштаба.

Основной задачей проекционной фотолитографии является обеспечение автоматического совмещения, которое осуществляется нанесением специальных меток совмещения на подложки.

Рисунок 3. Схема установки мультипликации с совмещением:

1, 15 — приводы стола по осям х и у, 2, 14 — лазерные интер-ферометры по осям х и у, 3 — координатный стол, 4, 5 — по-лупроводниковая подложка и упоры для ее ориентации, 6 —система фокусировки, 7 — проекционный объектив, 8 —столик с промежуточным фотошаблоном, 9 — источник света, 10 — затвор, 11 — актиничное излучение, 12 — устройство совмещения меток промежуточного фотошаблона и подлож-ки, 13 — управляющая ЭВМ Обычно эти метки имеют форму в виде канавок травле-ния, на которых рассеивается (поглощается) падающий пучок света и создается их оптический контраст по отношению к ок-ружающему полю.

Если исходная полупроводниковая подложка ориентиро-вана в плоскости (100), метки в виде V-образных канавок (Рисунок 4, а) получают селективным травлением кремния в 5%-ном растворе КОН через маску диоксида кремния. При травлении канавка ограняется плоскостями (111), которые го сравнению с другими кристаллографическими плоскостям обладают очень малой скоростью травления. При другой ориентации полупроводниковой подложки, например (111), мета совмещения заданного профиля (Рисунок 4, б) получают плазме химическим травлением при специальных режимах.

Сохранение во всем цикле создания ИМС оптического контраст метки, определяемого в основном ее формой, является важнейшей задачей проекционной фотолитографии.

Рисунок 4. Метки совмещения:

а — V-образная, б — бочкообразная; I, II - области рассеяния и отражения пучка света После завершения операции совмещения выполняются ав тофокусировка, а также экспонирование, при котором открывается затвор и изображение с промежуточного фотошаблона через проекционный объектив переносится на слой фоторезист; полупроводниковой подложки. Затем координатный стол i полупроводниковой подложкой перемещается в новое положение на шаг по оси х или у и начинается новый цикл.

При работе установки по программе, введенной в блоке управления ЭВМ, осуществляется «опрос» всех меток совмещения на полупроводниковой подложке и впечатывание изображения единичного модуля, т. е. его размножение — мультигашкация по рабочему полю.

Достоинство проекционной литографии по сравнению с контакт ной состоит прежде всего в том, что исключается контакт фотошаблон: и полупроводниковой подложки, приводящий к образованию в них де фектов, кроме того, обеспечивается более низкая плотность дефекте! в формируемой маске фоторезиста.

В современной проекционной фотолитографии используются оптические системы, работающие в условиях дифракционных ограничений. Это означает, что конструкция и технологи* изготовления проекционных объективов настолько совершенны, что их характеристики (разрешающая способность, точность воспроизведения размеров элементов) в основном определяются дифракционными эффектами, обусловленными зна-чениями апертур, а не аберрациями.

Важнейшим параметром, характеризующим фотолитографические характеристики проекционного объектива, является числовая апертура NA = л sin, а (где п — коэффициент преломле-ния среды в пространстве изображения; в воздухе и — 1; а — половина максимального угла расходимости лучей, прихо-дящих в точку изображения на оптической оси проекционной системы).

Для устранения хроматических аберраций используют мощный источник монохроматического актиничного света, в качестве которого может служить ртутная лампа сверхвысо-кого давления ДРШ-350 или ДРШ-500 (буквы обозначают Ддуговая, Р — ртутная, Ш — шаровая, а цифры указывают номи-нальную электрическую мощность). Создают монохроматичес-кое излучение с помощью специальных монохроматических полосовых фильтров и избирательно отражающих зеркал.

Схема осветительной системы проекционной установки показана на рисунке 5. Сотовый конденсор 4 значительно увели-чивает равномерность освещенности по полю, так как каждая его линзочка проецирует попадающий на нее световой поток на все поле засветки. Таким образом неравномерный световой поток от лампы усредняется и выравнивается. Зеркало 5 е селективно отражающим покрытием пропускает тепловые лучи, но эффективно отражает ультрафиолетовое излучение, что способствует защите проекционной системы от мощного тепло-вого потока, выделяемого лампой.

В условиях монохроматического и когерентного освеще-ния разрешающая способность проекционной системы 6_mi_n = ³¹ X/(2NA), где X — длина волны актиничного излучения. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны актинич-ного излучения и больше числовая апертура объектива, тем выше его разрешающая способность, т. е. меньше размер пере-даваемого элемента изображения.

Существует еще один параметр проекционной системы — ее глубина резкости. Для компенсации аберраций оптической системы, искривления поверхности полупроводниковых под-ложек и изменения толщины слоя фоторезиста на их поверх-ности из-за сформированного технологического рельефа необ-ходима вполне определенная (по возможности наибольшая) глубина резкости 5 = X/ [2(NA)2]. Из этой формулы видно, что чем больше числовая апертура, а это необходимо для увели-чения разрешающей способности проекционной системы, тем меньше ее глубина резкости.

Рисунок 5. Схема осветительной системы проекционной установки:

1 - эллиптический отражатель, 2 — источник УФ-излучения, 3 — защитное стекло, 4 — сотовый конденсор типа «мушиный глаз», 5 — селективно отражающее зеркало, 6 — полосовой фильтр, 7 — конденсорная линза Неправильная фокусировка может существенно влиять на качество передачи изображения проекционным методом. Поэтому проекционные установки снабжают высокоточными устройствами автофокусировки с точностью установки фокус-ного расстояния не хуже ± 0,2 мкм.

Правильная фокусировка, а также точная доза экспозиции — обя-зательные условия прецизионного переноса изображения на слой фото-резиста при проекционной фотолитографии.

Таким образом, видно, что необходим компромисс между разрешающей способностью, глубиной резкости, полем изоб-ражения и выбором числовой апертуры объектива.

Пиролитическое получение пленок из газовой фазы при нормальном и пониженном давлении Пиролитическое осаждение используют для получения толстых слоев оксида кремния при низких температурах, когда термическое окисление неприемлемо из-за существенного из-менения параметров предшествующих диффузионных слоев. Пиролитическое осаждение обеспечивает большую производи-тельность, высокую равномерность слоев, качественное покры-тие уступов металлизации и позволяет создавать изолирующие и пассивирующие слои не только на поверхности кремния, но и германия, арсенида галлия, а также других материалов. По-мимо оксида кремния осаждают слои SiC, Si₃N₄, ФСС и поли-кремния.

При пиролитическом осаждении оксида кремния проис-ходит термическое разложение сложных соединений кремния (алкоксисиланов) с выделением SiO₂, например: тетраэтоксисилан

Si (OC₂H₅)₄ ^{650−700° С} SiO₂ + 2H₂O + 4C₂H₄

тетраметоксисилана

Si (OCH₃)₄ ^{800−850°С} SiO₂ +2С₂Н₄+2Н₂О или оксиление моносилана

SiH₄+2O₂ ^{400−450° С} Si0₂ + 2H₂0

Последнюю реакцию обычно используют и при осаждении фосфорно-силикатного стекла с добавлением к газовой смеси фосфина РН₃, разбавленного азотом до 1,5%-ной концентрации. Фосфин вступает в реакцию с кислородом

4РН₃ +5О₂ => 2Р₂О₅ +6H₂

образуя оксид фосфора, который легирует SiO₂. В пленке оксида кремния оказывается 1 — 3% фосфора, за счет чего повышается ее термомеханическая прочность, пластичность и снижается пористость. При содержании фосфора до 8−9% слои ФСС используют для планаризации поверхности пластин, имею-щей рельеф.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ

При плазмохимическом осаждении (ПХО) процесс разло-жения кремнийсодержащих соединений активизируется высо-кочастотным (ВЧ) разрядом, образующим в газовой среде при пониженном давлении низкотемпературную кислородную плазму. Плазма состоит из атомов, радикалов, молекул в раз-ных степенях возбуждения, а также электронов и ионов. Плазмохимическое осаждение обычно проводят при давлении в реак-ционной камере 66 — 660 Па и частоте ВЧ-разряда 13,56−40 МГц. Температура процесса более низкая, чем при пиролитическом осаждении, благодаря чему получаемый оксид крем-ния можно использовать для пассивации поверхности ИМС, так как не происходит взаимодействия кремния с металлом проводников.

Механизм образования пленок при ПХО состоит из трех основных стадий: образования в зоне разряда радикалов и ионов, адсорбции их на поверхности пленки SiO₂ и перегруппи-ровки адсорбированных атомов. Перегруппировка (миграция) адсорбированных поверхностью атомов и стабилизация их положения представляют важную стадию роста пленки.

Одновременно с образованием пленки происходит десорб-ция продуктов реакции с поверхности. Скорости десорбции и миграции атомов сильно зависят от температуры пластины, причем при большей температуре получаются пленки с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, большей плот-ностью и более однородным составом.

При стимулировании процесса осаждения плазмой появля-ются новые параметры, влияющие на скорость осаждения плен-ки, ее состав, плотность, показатель преломления, равномер-ность, внутренние напряжения и скорость травления. Кроме температуры, состава газовой смеси, ее расхода, давления, геометрии реактора на скорость окисления влияют ВЧ-мощность, напряжение и частота, геометрия электродов и расстоя-ние между ними.

В качестве рабочих газов обычно используют соединения кремния и окислители:

Si₂О (СН₃)₆ + 8О₂ ^{230−250 C} 2Si0₂ + Н₂О + 6СО₂ + 8Н₂

а также гексаметилдисилоксан

SiH₄ + 4N₂ О ^200−350°C SiO₂ + 4N₂ + 2H₂ О Скорость осаждения SiO₂ при этом методе от 0,1 до 10 мкм/ч.

ЛИТЕРАТУРА

Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. Учебник для ВУЗов — М; Радио и связь, 2007 — 464 с: ил.

Технология СБИС. В 2 кн. Пер. с англ./Под ред. С. Зи, — М.: Мир, 2006.-786 с.

Готра З. Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. — М.: Радио и связь, 2001.-528 с.

Достанко А.П., Баранов В. В., Шаталов В. В. Пленочные токопроводящие системы СБИС.-Мн.: Выш.шк., 2000.-238 с.

Таруи Я. Основы технологии СБИС Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 2000;480 с.