Основные виды и причины брака при нанесении слоя фоторезиста (стр. 2 из 3)

Наличие зазора между фотошаблоном и подложкой вызывает дифракционные явления, что приводит к искажению формы и размеров элементов и обусловлено проникновением света в область геометрической тени. Чтобы уменьшить влияние дифракции при экспонировании, необходимо фотошаблон плотно прижимать к подложке для исключения зазора между ними или сведения его к минимуму.

Важным оптическим эффектом при экспонировании является прохождение ультрафиолетового излучения через пленку фоторезиста. Световой поток, проходя через слой фоторезиста, рассеивается в нем, а достигая подложки, отражается от нее и возвращается обратно в слой фоторезиста. Дойдя до поверхности фотошаблона, световой поток отражается под углом от его металлизированных непрозрачных участков и через прозрачные участки попадает в слой фоторезиста на подложке.

Эти отражения светового потока приводят к нежелательному дополнительному экспонированию участков слоя фоторезиста, находящегося под непрозрачными участками фотошаблона. Интенсивность отраженного потока света зависит от коэффициентов отражения подложки и фотошаблона. Для снижения эффекта отражения при контактной фотолитографии используют цветные оксидные фотошаблоны, имеющие малый коэффициент отражения.

Обработка подложек. Заключительным этапом процесса фотолитографии является формирование топологии рельефного рисунка на подложках в технологическом слое (маскирующей, изолирующей, защитной диэлектрической или проводящей металлической пленке) травлением с последующими удалением слоя фоторезиста и очисткой подложек. Эти операции осуществляют химическим жидкостным или плазменным "сухим" травлением.

В связи с тем что процессы травления являются завершающими в формировании элементов полупроводниковых приборов и ИМС, они оказывают решающее влияние на электрические параметры этих изделий и выход годных и должны обеспечивать:

· минимальные погрешности размеров элементов рисунка и наименьшее количество дефектов;

· полное удаление материала на участках, не защищенных слоем фоторезиста, а также продуктов реакции;

· возможность управления режимами обработки.

Химическое жидкостное травление основано на растворении в химических реагентах не защищенных фоторезистивной маской участков технологического слоя и состоит из следующих стадий: диффузии и адсорбции молекул травителя к поверхности подложки; химической реакции; десорбции продуктов реакции и удаления их в раствор.

Скорость травления зависит от наиболее медленной стадии и, кроме того, определяется составом травителя, его температурой, а также структурой технологического слоя.

Используемые химические травители должны обладать следующими свойствами:

· селективностью (избирательностью), т.е. способностью активно растворять основной технологический слой, не взаимодействуя с фоторезистивной маской и другими нижележащими слоями;

· не образовывать продуктов реакции, способствующих отслаиванию фоторезиста по контуру элементов рисунка и подтравливанию;

· допускать возможность подбора оптимальной для данных условий скорости травления, обеспечивающей минимальную плотность дефектов полученного рисунка.

Процесс химического жидкостного травления, как правило, изотропен, т.е. имеет одинаковую скорость во всех направлениях. Участки подложки, не защищенные пленкой фоторезиста, травятся не только вглубь, но и в стороны, т.е. происходит так называемое боковое подтравливание, что приводит к изменению линейных размеров элементов рисунка. По боковому подтравливанию судят о качестве процесса травления и формированию клина травления. Изменение размеров элементов рисунка не должно превышать допусков, указанных в ТУ.

При плохой адгезии слоя фоторезиста травитель может проникать под него на значительное расстояние и в этом случае боковое подтравливание l становится недопустимо большим. При хорошей адгезии фронт бокового травления (клин травления) имеет форму дуги (Рисунок 5, а). Клин травления зависит от скорости процесса, адгезии защитной маски фоторезиста к подложке, толщины вытравливаемого слоя h и смачиваемости его поверхности травителем.

В состав любого травителя, как правило, входят следующие компоненты:

· окислитель - для образования оксидов на поверхности технологического слоя;

· растворитель - для растворения и удаления образовавшихся оксидов;

· замедлитель и ускоритель реакции.

Результатом процесса травления является полное стравливание материала на участках, не защищенных фоторезистом. Результат травления зависит от качества сформированного защитного рельефа фоторезиста, его адгезии, геометрических размеров элементов на фотошаблоне, клина травления. Кроме того, процесс травления, геометрические размеры получаемых после травления элементов рисунка и клин травления определяются

типом травителя, температурой травления и толщиной травящегося материала.

Рисунок 5. Профили элементов рельефного рисунка после травления:

а - жидкостного, б - ионно-химического, в, г - плазмохимического; 1 - слой фоторезиста, 2 - технологический слой.

Травление технологических слоев. Наиболее широко в процессах химического травления при фотолитографической обработке используют травители, представляющие собой слабые кислотные растворы. В производстве полупроводниковых приборов и ИМС большую часть фотолитографических процессов проводят на слое диоксида и нитрида кремния.

Для травления пленок диоксида крем-ния SiO2 применяют плавиковую кислоту и травители на ее основе. Процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 +4HF => SiF4

+ 2Н2О

Для улучшения качества рельефного рисунка в слое SiO2 применяют так называемый "буферный" травитель с замедляющими добавками фторида аммония NH4F. В этом случае процесс происходит по следующей реакции:

SiO2 + 4HF + 2NH4F => (NH4) 2 SiF6 + 2H2O

В типовой состав буферного травителя входят: 2 ч.48% -ной плавиковой кислоты, 7 ч.40% -ного водного фтористого аммония и 1 ч. воды. Увеличение концентрации кислоты в травителе повышает скорость травления пленки SiO2, но при этом ухудшается качество вытравленного рельефа. При увеличении концентрации фтористого аммония уменьшается скорость травления и улучшается качество рельефного рисунка. Оптимальная температура травителя 20 OС. Повышение температуры травителя увеличивает скорость травления, но ухудшает качество рельефа.

Для травления пленок нитрида кремния Si3N4 используют травитель на основе ортофосфорной кислоты Н3РО4 с добавками фосфорного ангидрида Р2О5. Оптимальная температура травителя до 180 - 200 °С. Так как при травлении при высоких температурах резко снижаются защитные свойства фоторезиста, пленку Si3N4 защищают тонким слоем SiO2 (~ 0,2 мкм). В этом случае травление сначала проводят в буферном травителе, а затем приступают к травлению нитрида кремния, используя пленку диоксида кремния в качестве защитной маски.

Окончание процесса травления устанавливают в момент перехода вытравленной поверхности из гидрофильного состояния в гидрофобное, т.е. когда обнажившийся кремний перестает смачиваться травителем.

При травлении пленок диоксида и нитрида кремния возможны различные виды брака, обусловленные следующими причинами. Так, растравливание, характерным признаком которого является появление интерференционных кругов под слоем фоторезиста вокруг вскрытых окон, вызывается нарушением межоперационного времени хранения подложек, плохой адгезией фоторезиста к их поверхности, нарушением режимов проявления и задубливания, завышенным временем травления, некачественным травителем.

Причинами отслаивания пленки фоторезиста при травлении могут быть его плохая адгезия к поверхности и нарушение режима задубливания, увеличение межоперационного времени хранения подложек.

Окрашивание кремния во вскрытых окнах происходит из-за его сильного легирования и высокой поверхностной концентрации примеси, попадания окислителей (например, HNO3) в травитель, большого разброса толщины вытравливаемой пленки оксида. При этом на участках, где пленка оксида имеет толщину более 100 нм, наблюдается наибольшее окрашивание. Тонкая (60 - 70 нм) пленка оксида, остающаяся в окнах, не окрашивается, поэтому невидима, но может существенно влиять на параметры последующих диффузионных слоев. Причинами нестравливания таких пленок могут быть недостаточное время травления, а также неравномерное травление окон в разных точках площади подложек.

При изготовлении металлизированной разводки и формирования контактных площадок фотолитографию проводят по слою металла (алюминия, золота, молибдена, тантала, нихрома и др.) •

Для травления пленок алюминия применяют как кислотные, так и щелочные травители. Однако из-за плохой адгезии фоторезиста к пленке алюминия вследствие значительного изменения его угла смачивания (от 20 до 80 °) травитель выбирают в соответствии с типом применяемого при фотолитографии фоторезиста. Так, для травления масок негативных фоторезистов используют 20% -ный раствор КОН или NaOH. При температуре 60 - 90 ° С травление происходит с выделением пузырьков водорода, что вызывает неровности контура рельефа до 0,5 - 1 мкм. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 2NaOH + 6Н2 О - > 2Na [Аl(ОН) 4] + ЗН2

При использовании в качестве масок позитивных фоторезистов для травления алюминия используют травители на основе ортофосфорной кислоты. Процесс протекает по следующей реакции:

2Аl + 6Н3РО4 - > 2Аl(Н2РО4) 3 + 3H2