2.1. Полимерные резисты

Процесс производства полупроводниковых приборов состоит из множества операций. В результате этого процесса из кремниевой пластины, являющейся исходным материалом, получаются готовые интегрированные электронные компоненты — интегральные схемы. Они представляют собой твердотельные устройства, содержащие группу приборов и их соединения, выполненные на единой пластине.

Быстрый прогресс в микроминиатюризации электронных схем является результатом использования так называемой кремниевой планарной технологии. По этой технологии сложные схемы формируются на поверхности и в объеме кремниевой пластины в результате нескольких последовательных этапов. Каждый этап начинается с покрытия полупроводниковой пластины пленкой материала, называемого резистом, чувствительного к тому или иному виду излучения. Именно резисты, большая часть которых представлена полимерными материалами, будут основным предметом рассмотрения в настоящей главе.

С использованием планарной технологии можно одновременно формировать на подложке 10³10⁸ транзисторов, создавая ИС со сложной структурой. Таковы, например, микропроцессор — центральная часть любого компьютера, выполненная в одной или нескольких ИС, запоминающие устройства, содержащие более 10⁶ ячеек памяти, и т. д.

На одной кремниевой пластине обычно формируется множество ИС, после чего она разделяется на отдельные кристаллы — чипы, представляющие собой ИС без корпуса и внешних выводов. На 1 мм³ чипа приходится до 10⁴ транзисторов. Важнейшей характеристикой ИС является степень интеграции, т.е. число транзисторов в ней. По этому показателю ИС классифицируются на малые (МИС — до 2⁵ транзисторов), средние (СИС — до 2¹⁰), большие (БИС — до 2¹⁵) и сверхбольшие (СБИС — до 2²⁰). Максимально возможная степень интеграции определяется прежде всего минимально возможной шириной линий рисунка ИС, ограниченной возможностью микролитографии.

Микролитография представляет собой процесс вычерчивания или печати изображения на резистном материале. На рис. 15 представлена схема микролито-графического процесса. Для формирования изображения в объеме кремниевой пластины последняя окисляется,

Рис. 15. Схематическое изображение первого цикла микролитографического

а б

процесса на основе позитивного (а) и негативного (б) резистов.

в результате чего на ней образуется тонкая (порядка 1 мкм) пленка двуокиси кремния. Затем на окисленную пластину наносится слой резиста такой же толщины. По химическому составу резисты бывают самые разнообразные, но, как правило, их основным компонентом является пленкообразующий полимер, способный или сам претерпевать химические превращения при взаимодействии с излучением (экспонирование), или изменять свои свойства при взаимодействии с продуктами фотохимического превращения фоточувствительного компонента композиции резиста. В результате этих превращений физико-химические свойства экспонированных участков полимера (в первую очередь растворимость) изменяются настолько, что пленка резиста с этих участков может быть селективно удалена (позитивный резист) или же, напротив, остаться на пластине при удалении пленки с неэкспонированных участков (негативный резист). Этот процесс называется проявлением. За ним следует удаление с поверхности кремния слоя двуокиси кремния, что достигается либо действием фтористоводородной кислоты, либо действием плазмы. В результате этого процесса, называемого травлением, в пленкеоксида кремния образуются так называемые окна, через которые после удаления неэкспонированного резиста осуществляется локальное легирование кремниевой пластины с формированием областей, обладающих проводимостью p- или n-типа. Для формирования полупроводниковых областей с электронной проводимостью (n-типа) в объем кремниевой пластины методом ионной имплантации вводятся атомы фосфора или мышьяка, а для формирования областей с дырочной проводимостью (p-типа) — атомы бора, алюминия или галлия. Затем пластина снова окисляется, покрывается слоем резиста, и весь цикл повторяется. В результате повторения нескольких циклов в объеме кремниевой пластины формируется простейший биполярный транзистор p-n-p- или n-p-n-типа. Очевидно, что при повторении этих операций точность совмещения формируемых изображений, с учетом микронных размеров элементов, должна быть очень высокой.

В настоящей главе рассматриваются основные химические, фотохимические и физико-химические процессы, протекающие в пленках резистов различного химического состава в процессах их нанесения, экспонирования и проявления. В начале обсуждения необходимо ввести некоторые основные понятия, характеризующие процесс микролитографии. Прежде всего, надо рассмотреть соотношение между длинами волн экспонирующего излучения и энергией фотонов. Соответствующие корреляции приведены в табл. 3.

Таблица 3

В микролитографиииспользуютсяизлучения практически всех энергий, однако в настоящее время наибольшее значение имеет фотолитография, т. е. формирование изображения при действии на материал резиста ультрафиолетового и видимого света. Самым распространенным источником излучения в

Рис. 16. Cпектр излучения ртутной лампы.

современных технологических линиях является ртутная лампа, спектр которой представлен на рис. 16.

Эффективность взаимодействия излучения с материалом резиста, как любой фотохимической реакции, характеризуется квантовым выходом , т. е. отношением числа квантов, вызвавших целевую реакцию, к общему числу поглощенных квантов. Одной из важнейших характеристик резистных материалов является доза облучения, минимально необходимая для получения изображения, и обратная ей величина — чувствительность.

Не менее важной характеристикой является разрешающая способность, которая измеряется в линиях на миллиметр. Фоторезисты относятся к группе фоточувствительных материалов высокого разрешения и очень низкой чувствительности. К примеру, разрешающая способность электронно-лучевой трубки составляет 5 линий/мм при минимальной дозе, необходимой для реализации изображения, порядка 10^-6 мДж/см², что соответствует чувствительности 10⁶ см²/мДж. Соответствующие характеристики для черно-белой пленки составляют 50 линий/мм, 10^-4 мДж/см² и 10⁴ см²/мДж. Для фоторезистов разрешающая способность превышает 5000 линий/мм, однако дозы, необходимые для реализации изображения, как правило, превышают 10² мДж/см², т.е. чувствительность оказывается меньше 10^-2 см²/мДж.

Поскольку доза определяется произведением времени облучения на интенсивность, очевидно, что экспонирование излучением более высоких энергий требует меньшего времени для формирования скрытого изображения.

Разрешающая способность (а точнее, минимальная ширина линии) W любого оптического устройства связана с длиной волны соотношением

W = k/2NA,

где NA — “числовая апертура” устройства, причем максимальное значение этой величины равно единице. Теоретический предел разрешающей способности равен 1/2, т. е. чем меньше длина волны экспонирующего излучения, тем меньше размеры формируемого изображения и тем больше элементов можно разместить на единице поверхности кремниевой пластины.

Еще одной важной характеристикой формируемого изобра-жения является контрастность. Она определяется, главным образом, формой элементов, образующихся после проявления скрытого изображения, и четкостью их границ.

Полимеры, используемые в качестве основы композиции резистов, должны, как и любой материал определенного функционального назначения, отвечать ряду требований. Основными свойствами полимера, необходимыми для использования его в качестве резиста, можно назвать следующие:

1) хорошая пленкообразующая способность при сравнительно невысоких значениях молекулярной массы;

2) хорошая адгезия к поверхности кремнезема;

3) способность претерпевать химические или физико-хими-ческие превращения, сопровождающиеся изменением свойств, либо непосредственно под действием излучения определенной энергии, либо под действием продуктов фотохимических превращений специальной фоточувствительной добавки в композиции резиста;

4) достаточная устойчивость по отношению к фтористому водороду или плазме, используемым в процессах травления;

5) теплостойкость, достаточная для сохранения формы элементов при высушивании пластины после проявления.

Кроме того, в случае фоторезистов очень важную роль играют спектральные характеристики полимерного материала. Полимерная основа должна быть прозрачной в области поглощения фоточувствительного компонента независимо от того, является хромофорная группа молекулы, претерпевающей фотохимические превращения, самостоятельным компонентом композиции или входит в состав макромолекул полимера. В противном случае экспонирующее излучение будет поглощаться в верхнем слое резиста, а его глубинные участки останутся недоступными для облучения.

Кроме этих основных требований существует еще множество частных, зависящих от характера конкретного процесса.