Материал: Специальные вопросы микро- и нанотехнологий. Стогней О.В., Трегубов И.М

рескоков атомов возрастает и коэффициент диффузии D увеличивается. Приемлемые для формирования элементов ИМС скорости диффузии доноров и акцепторов в кремнии достигаются при температурах 1000-1250°С. При столь высоких температурах в кремний диффундируют и посторонние (фоновые) примеси, что может приводить к неконтролируемому изменению параметров ИМС и браку. В этом - один из недостатков диффузионного легирования полупроводников.

Метод диффузионного легирования широко используется в технологии ИМС благодаря простоте и высокой производительности, а также возможности внедрять примесь в глубь кристалла практически на любую требуемую для ИМС глубину. Диффузия атомов в веществе сопровождает также многие процессы в нанотехнологии и может использоваться для получения необходимого результата.

Ионная имплантация (ионное легирование) - это введение легирующей примеси в твердое тело путем его бомбардировки примесными атомами в виде ионов, которым на ускорителе элементарных частиц сообщена энергия Е > 104 эВ. Глубина проникновения ускоренных ионов в кристалл обычно меньше 1 мкм. Однако для современной микроэлектроники и наноэлектроники этого достаточно. Бомбардировка ионами кристалла нарушает его структуру, что недопустимо в технологии ИМС. Однако возникшие нарушения устраняются последующим отжигом кристалла при температурах более низких, чем те, которые используются в условиях диффузионного легирования. В этом - одно из преимуществ ионной имплантации примесей.

Другое важное преимущество связано с возможностью обеспечить почти абсолютную чистоту процесса легирования - вплоть до легирования атомами отдельного изотопа данного элемента. Такая возможность связана с использованием в технологических ускорителях магнитных сепараторов, в которых ионы различной массы переводятся силой Лоренца на различные траектории движения. Ионное легирование позволяет

15

весьма точно, даже поштучно, контролировать количество атомов примеси, вводимых в кристалл. Описанные особенности ионного легирования полезны и для наноэлектроники.

Элементы ИМС соединяются между собой токопроводящими тонкопленочными дорожками. Взаимная изоляция этих дорожек и их изоляция от кремния осуществляется тонким слоем диэлектрика. Следовательно, основными методами формирования активных, пассивных и соединительных элементов ИМС являются методы легирования кристалла и методы получения на его поверхности металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев. Для получения полупроводниковых слоев используется эпитаксия. Проводящие и изолирующие слои не являются монокристаллическими. Методы их получения весьма разнообразны. В качестве простейшего метода получения диэлектрического слоя Si02 на кремнии используется окисление кремния в кислородосодержащей газовой среде. Простейшим методом нанесения металлических слоев являет-

ся термическое испарение вещества в вакууме. К свойствам полупроводниковых, диэлектрических и металлических слоев в микроэлектронике предъявляются разнообразные и весьма жесткие требования. Лишь при выполнении таких требований удается создавать достаточно надежные ИМС.

2.5. Литография

Методы формирования р-n-переходов, металлических и диэлектрических слоев, описанные в предыдущих параграфах, не позволяют придавать элементам ИМС достаточно малые размеры в плане. Чтобы превратить эти слои в элементы ИМС, необходимо подвергнуть их «микрогравировке». Различные методы «микрогравировки» слоев обобщенно называются литографией. Различают фотолитографию, рентгеновскую литографию, электронно-лучевую литографию и т. д. Постоянное совершенствование методов литографии открыло возможность

16

перехода микроэлектроники к наноэлектронике, в рамках которой литография продолжает успешно развиваться.

Суть литографии проще всего показать на примере фотолитографии, простейшего вида литографии. Фотолитография представляет собой метод фотохимической микрогравировки металлических, диэлектрических и полупроводниковых слоев.

Основные этапы фотолитографии на пластине кремния

(рис. 2.1):

Рис. 2.1. Основные этапы контактной фотолитографии

-нанесение на пластину слоя диэлектрика, обычно диоксида кремния Si02 (рис. 2.1 а);

-нанесение на слой диэлектрика фоточувствительного слоя - фоторезиста (рис. 2.1 б);

-наложение (при контактной фотолитографии) на слой фоторезиста фотошаблона, который отображает соответствующую часть топологической схемы ИМС, например размеры, форму и взаимное расположение эмиттеров всех транзисторов, которые должны быть сформированы на данной пластине; в таком случае фотошаблон представляет собой непрозрачную пластину с прозрачными участками, дублирующими форму и местоположение будущих эмиттеров (рис. 2.1 в);

17

-экспонирование фоторезиста (в простейшем варианте видимым или ультрафиолетовым светом); экспонирование изменяет скорость последующего растворения фоторезиста в специальном травителе (на рис. 2.1 в экспонирование отображено системой стрелок); кроме контактной существуют и другие методы литографии;

-удаление фотошаблона;

-проявление (травление) фоторезиста: участки, подвергнутые воздействию света, вытравливаются до слоя окисла

(рис. 2.1 г);

-вытравливание отверстий («окон») в слое диэлектрика через отверстия в фоторезисте (1 и 2 на рис. 2.1 д);

-удаление фоторезиста (рис. 2.1 е).

Полученные окна в диэлектрике используются для формирования соответствующих элементов на пластине, например эмиттеров всех транзисторов. Если данный элемент формируется диффузией примесей, то вещество диэлектрического слоя выбирается так, чтобы скорость диффузии данной примеси в нем была значительно меньше, чем в кремнии. В таком случае легированными окажутся лишь участки кремния, не укрытые слоем диэлектрика. Диффузию большинства типичных доноров и акцепторов в кремниевой технологии хорошо блокирует диоксид кремния (SiOz).

Наименьший размер элемента ИМС определяется возможностями литографии. Разрешающая способность литографии ограничивается как техническими, так и физическими факторами. Принципиальные физические ограничения связаны главным образом с явлением дифракции излучения на деталях фотолитографического рисунка при экспонировании. Дифракционное размытие изображения отверстия тем меньше, чем меньше длина волны используемого излучения. Оптическая литография обеспечивает, получение элементов ИМС с размерами до ~0,5 мкм. Использование ультрафиолетовых лучей позволяет сместить этот предел до -0,1 мкм. Рентгенолитография сдвигает указанный предел в нанообласть. Анало-

18

гичные возможности открывает электронно-лучевая литография и литография с использованием потоков ускоренных ионов. В электронно-лучевой и ионной литографии практически нет дифракционного предела, так как длина волны де Бройля для электронов и ионов, движущихся с достаточно большими скоростями в пучках частиц, падающих на образец, при литографии много меньше деталей шаблона. Напомним, что длина волны де Бройля (микрочастицы) уменьшается с увеличением скорости и массы используемых частиц.

Вопросы к разделу 2

1.Перечислите и поясните основные этапы изготовления

ИМС.

2.Какими особенностями характеризуются методы получения полупроводниковых материалов?

3.Какие требования предъявляются к полупроводниковым пластинам для ИМС?

4.Почему кремний, полученный восстановлением из газовой фазы и обладающий высокой химической частотой, не используется для создания ИМС?

5.Что такое эпитаксия, эпитаксиальные структуры? Какова роль эпитаксиальных структур в технологии ИМС на кремнии?

6.Почему возникает необходимость в создании эпитаксиального слоя на поверхности пластины (например, эпитаксиального слоя кремния на кремниевой пластине)?

7.Охарактеризуйте диффузионный метод формирования элементов ИМС.

8.Охарактеризуйте метод получения элементов ИМС с помощью ионного легирования.

9.В чем преимущество ионного легирования по сравнению с диффузионным методом?

10.Перечислите недостатки ионного легирования.

19