Осаждение и травление

КМОП-структура

Основные технологические операции создания МОП – транзистора
1. Формирование маскирующего слоя окисла SiO2 (осаждение)
2. Формирование рельефа в маскирующем слое (фотолитография, травление)
3. Подзатворное окисление (отжиг в окисляющей среде)
4. Осаждение поликремния

5. Формирование поликремниевого затвора (фотолитография, травление)
N+
N+
6. Легирование
и термический отжиг N+-слоя
7. Осаждение маскирующего окисла
9. Травление контактных окон

10. Осаждение металла
11. Формирование разводки в слое Металл 1
(фотолитография, травление)

В технологическом процессе создания МОП-транзисторов осаждение исполь-зуется для формирования следующих слоев:
Оксида кремния (окисла, SiO2)
Нитрида кремния (Si3N4)
Поликремния (Si*)
Металла
Фоторезиста и др.

Основными методами осаждения являются:
Осаждение из парогазовых смесей (CVD- chemical vapor deposition).
Плазмохимическое осаждение (PD - plasma deposition).
Осаждение из парогазовых смесей может происходить при атмосферном или пониженном давлении

CVD - метод
В CVD-процессе подложки, как правило, помещаются в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая в реакцию и/или разлагаясь, производят на поверхности подложки необходимое вещество. Часто образуется также газообразный продукт реакции, выносимый из камеры с потоком газа.

Достоинства CVD - метода
Простота метода.
Хорошая технологическая совместимость с другими процессами создания полупроводниковых микросхем.
Сравнительно невысокая температура, благодаря чему отсутствует нежелательная разгонка примесей в пластинах.
Скорость осаждение определяется температурой и концентрацией реагирующих газов в потоке нейтрального газа-носителя.

PD - метод
Ионно-плазменные процессы используют плазму, генериру-емую в электрическом и магнитном полях.
Плазма – ионизированный газ, в котором часть атомов потеряла по одному или по нескольку принадлежащих им электронов и превратились в положительные ионы. В общем случае, плазма представляет собой смесь трех компонентов: свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов.

Суть PD - метода
Процесс производится в вакуумной камере, запол-ненной инертным газом, в котором возбуждается газовый разряд.
Возникающие положительные ионы бомбардируют распыляемый материал (мишень), выбивая из него атомы или молекулы, которые осаждаются на подложке. Скорость и время распыления регулируются напряжением на электродах.
Процесс позволяет получать равномерные и точно воспроизводимые по толщине пленки.

Осаждение оксида кремния
Основные параметры процесса: время и температура
Методы осаждения: CVD и PD
SiH4 + О2 SiO2
SiCl2H2 + 2 N2О SiO2

Осаждение нитрида кремния
Нитрид кремния широко используется в качестве маски, например для создания диэлектрической изоляции между элементами схем. Он также служит защитой от воздействия внешней среды.
Химическая реакция, с помощью которой получают нитрид кремния
Характеристики пленок нитрида кремния сильно зависят от температуры осаждения и соотношения концентраций реагентов.
Метод осаждения: CVD при пониженном давлении

Осаждение поликристаллического кремния (поликремния)
Поликремний сильно легируют для увеличения его проводимости.
Метод осаждения – CVD при пониженном давлении.
Поликристаллический кремний осаждают для формирования затворов МОП-транзисторов

Осаждение металлов
Метод осаждения – CVD при пониженном давлении.
CVD-процесс широко используют для нанесения металлов.
В целом, для металла M, реакция выглядит так:

Травление
Травление (etch, unpatented etch) – удаление поверхностного слоя. Используется для получения максимально ровной поверхности пластин и удаления слоев с поверхности.
Локальное травление или травление по маске (patented etch) используется для получения необходимого рельефа поверхности, формирования рисунка слоев, а также масок.

Основные виды травления
Химико-механическая полировка (планаризация)
(Chemical Mechanical Polishing (Planarization)).
Жидкостное травление
(wet etch).
Сухое травление
(dry etch).

Жидкостное травление
В основе лежит химическая реакция жидкого травителя (кислоты) и твердого тела, в результате которой образуется растворимое соединение. Подбором химического состава, концентрации и температуры травителя обеспечивают заданную скорость травления и толщину удаляемого слоя.

Селективность жидкостного травления
Жидкостное травление обладает высокой селективностью (избирательностью), оцениваемой отношением скоростей травления требуемого слоя (например, оксида кремния) и других слоев (например, фоторезиста).

Изотропность жидкостного травления
При жидкостном травлении скорость процесса в вертикальном и горизонтальном направлении близки. В результате протравливания структуры в горизонтальном направлении (под маску) вытравленная область не соответствует по размерам маске.

Сухое травление
Производят в вакуумной установке в плазме газового разряда.
Наиболее распространенная разновидность – плазмо-химическое травление (ПХТ).
При ПХТ удаление материалов осуществляется за счет химических реакций, которые происходят между поверхностными атомами материалов и химически активными частицами (радикалами), образующимися в плазме.
Радикалы – это незаряженные частицы, имеющие неспаренные электроны.

Процесс ПХТ
Под действием электрического поля электроны в вакууме приобретают значительную энергию и передают ее путем столкновений нейтральным атомам и молекулам. При этом электрон может оторваться от атома или молекулы, в результате чего образуется радикал (например F*).
CF4 CF3 + F*
CF3 CF2 + F*
CF2 CF + F*
CF C + F*

Процесс ПХТ
При ПХТ можно выделить следующие стадии:
- доставка молекул активного газа в зону разряда;
- превращение молекул газа в радикалы под воздействием электронов разряда;
- осаждение радикалов на поверхности материалов;
- химическая реакция радикалов с поверхностными атомами;
- удаление продуктов реакции с поверхности материала;
- отвод продуктов реакции из плазмохимического реактора.

Химическая реакция радикалов с поверхностными атомами
Si + 4 F* SiF4 – при травлении кремния
SiO2 + 4 F* SiF4 + O2 – при травлении окисла

Параметры процесса ПХТ
Наиболее важными параметрами процесса ПХТ являются:
давление в камере;
концентрация реакционных газов;
подводимая мощность;
температура поверхности;
параметры установки.

Анизотропия процесса сухого травления
Сухое травление идет преимущественно в вертикальном направлении, в котором движутся частицы. Поэтому размер вытравленной области весьма точно соответствует размеру отверстия в маске.

Химико-механическая планаризация
ХМП - комбинация химических и механических способов планаризации (удаления неровностей с поверхности изготавливаемой пластины).
Пластина устанавливается в специальный держатель и вращается вместе с ним. Держатель прижимает пластину к полировочной площадке. Точность обработки на современных установках ХМП составляет порядка нескольких ангстрем. Скорость травления зависит от скорости вращения пластины и того, насколько сильно держатель прижимает пластину.

Литература:
1. Королев М.А., Ревелева М.А. Технология и конструкции интегральных микросхем. ч.1. 2000 М; МИЭТ.
2. Королев М.А., Крупкина Т.Ю., Ревелева М.А. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем: в 2 ч. / под общей ред. Чаплыгина Ю.А. –Ч. 1: Технологические процессы изготовления кремниевых интегральных схем и их моделирование. – 397 с. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. – 2007