Физическая микроэлектроника (стр. 10 )

В зависимости от конфигурации внешних электродов (соленоид, пластины конденсатора) можно реализовать ВЧ индукционный, т. е. ВЧ-Н, или емкостной – ВЧ-Е разряды (рис. 9.11).

При использовании соленоида, внутри которого находится кварцевая реакционная камера, вследствие самоэкранировки плазмы может возникать так называемый кольцевой разряд с неравномерной температурой и концентрацией заряженных частиц по сечению реакционной камеры, что приводит к неравномерности обработки поверхности.

Рис. 9.11. ВЧ-H и ВЧ-Е разряды

Для обоснования выбора оптимальных значений параметров ВЧ разряда можно воспользоваться уравнением движения электронов в переменном электрическом поле при низком давлении и концентрации молекул (до 5.1016 см–3) (9.12). Длина свободного пробега электрона не должна превышать линейных размеров реакционной камеры (для обеспечения достаточного количества столкновений с тяжелыми частицами).

me(dv / dt) = eEo. exp(iwt) – gv, (9.12)

где me – масса электрона, v – направленная скорость электронов, g – коэффициент трения электронов, Е = Eo.exp(iwt) – напряженность внешнего электрического поля с частотой w и амплитудой Eo.

Выражая коэффициент трения g через частоту упругих столкновений no

gv = menov, (9.13)

получим

me(dv / dt) = eEo. exp(iwt) – menov. (9.14)

Приближенным решением уравнения (9.14) будет

v = eE / me(iw + no) = – mаE + imrE, (9.15)

где ma и mr – активная и реактивная составляющие подвижности электронов в высокочастотном электрическом поле.

Рассматривая плотность электронного тока

j = – enev = enemаE + ienemrE = aаE + iarE, (9.16)

найдем выражение для активной и реактивной составляющих проводимости плазмы ВЧ разряда:

aа = e2neno / me(w2 + no2), (9.17)

ar = e2new / me(w2 + no2). (9.18)

Таким образом, соотношение между активной и реактивной составляющими проводимости плазмы, которые в свою очередь определяются соотношением круговой частоты внешнего электрического поля и частотой столкновений электронов с тяжелыми частицами, будут определять степень нагрева, т. е. температуру тяжелых частиц плазмы Та и температуру электронов Те. При фиксированной циклической частоте внешнего электрического поля w = 2pf (на практике частота генератора f в большинстве случаев равна 13,56 МГц), соотношение между Та и Те можно регулировать, изменяя частоту столкновений путем варьирования давления газовой среды в реакционной камере. Здесь возможны три случая.

1. Пусть w >> no, что соответствует низкому давлению, когда электроны практически без столкновений движутся в фазе с ВЧ электрическим полем, поочередно приобретая и возвращая энергию в течение одного периода. Следовательно, поглощения энергии газом не происходит. Сопротивление плазмы носит реактивный характер (ar >>aa) и Те >> Та. Это имеет место при давлении p < 1 Па.

2. При w << no, что соответствует высокому давлению (p > 200 Па), плазма является активной нагрузкой (aa >> ar). Частота столкновений электронов с тяжелыми частицами велика; происходит активный нагрев плазмы вплоть до выравнивания температур электронов и плазмы в целом до значений 103 оС.

Рассмотренные выше режимы непригодны для проведения технологического процесса травления; первый из-за низкой реактивной способности газа, второй – из-за чрезмерно высокой температуры.

3. Оптимальным является режим, при котором w » no. Плазма сохраняет активную и реактивную составляющие проводимости (aa » ar). Энергия внешнего поля, воспринимаемая электронами, передается частично тяжелым частицам при неупругих и упругих столкновениях с последними. Энергия электронов составляет несколько электрон-вольт и является достаточной для активации частиц газа. Энергия тяжелых частиц невелика и составляет величину порядка 0,05 эВ (200 – 500 оС). В этих условиях плазма является низкотемпературной и неравновесной. Оптимальный диапазон давлений для генератора с частотой 13,56 МГц лежит в пределах 10 – 200 Па.

Большинство газовых сред, используемых в микроэлектронике для травления, даже при высоких температурах, обладают низкой реакционной способностью. Например, молекулярный фтор практически не взаимодействует с кремнием при комнатной и повышенной температуре и нормальном давлении. Для повышения реакционной способности необходим процесс активации, который может быть реализован с помощью газового разряда по схеме:

CF4 + e ® CF3 + F + e

CF3 + e ® CF2 + 2F + e

CF2 + e ® CF + 3F + e

CF + e ® С + 4F + e (9.19)

Активированные частицы (атомы фтора и радикалы CFx) легко вступают в реакцию с атомами кремния, образуя в итоге летучее соединение SiF4.

Процесс активации среды в газоразрядной плазме происходит следующим образом. При зажигании электрического разряда в газовой среде при пониженном давлении (тлеющий разряд на постоянном или переменном токе) ускоренные под действием электрического поля электроны путем неупругих столкновений с молекулами газа приводят к распаду последних на радикалы и атомы по вышеприведенной схеме. При этом возможен процесс возбуждения атомов и даже ионизация, что повышает реакционную способность этих частиц. В отличие от электронов, энергия которых составляет несколько электрон-вольт, температура тяжелых частиц молекул и атомов не превышает оС, что обеспечивает низкую температуру технологического процесса. Таким образом, плазменные технологические процессы по нанесению и удалению тонких поверхностных слоев могут быть реализованы с помощью газового разряда при пониженном давлении и достаточно низких температурах.

9.4. Модификация поверхности полупроводника;

диффузия и ионная имплантация

Под модификацией поверхности в современной микроэлектронике понимают изменение концентрации носителей зарядов и типа проводимости в приповерхностных слоях полупроводникового кристалла, именуемое общим термином «легирование», т. е. внесение в полупроводник примеси заданного химического состава и необходимой концентрации. Легирование – это один из базовых технологических процессов, который используется для формирования базовых и эмиттерных областей транзисторов, а также резисторов в биполярной технологии; для создания областей истока и стока в МОП технологии и др. В большинстве случаев используется локальное внесение примеси через защитную диэлектрическую маску из SiO2 и Si3N4, в которой методом литографии создаются окна для внедрения примеси.

Легирование реализуется двумя способами: высокотемпературной диффузией и ионной имплантацией с последующей температурной обработкой (термоотжиг), в процессе которой устраняются различного рода радиационные дефекты структуры, возникшие в процессе легирования, и одновременно создается определенный профиль концентрации примеси вглубь полупроводника.

В качестве источника диффузии могут быть использованы: легированный окисел, нанесенный на поверхность подложки, ионно-имплантированные слои, газовые среды. Физическая модель процессов легирования представлена на рис. 9.12.

Механизм высокотемпературной диффузии и ионной имплантации достаточно хорошо изучен как теоретически, так и практически и подробно описан в литературе. В основу теории диффузии положены хорошо известные законы Фика, разработанные для диффузии в газах.

Первый закон Фика определяет диффузионный поток в зависимости от градиента концентрации примеси:

J = – D ¶N(x, t) / ¶x. (9.20)

Рис. 9.12. Физическая модель процессов легирования

Уравнение (9.20) показывает, что локальная скорость диффузии через сечение единичной площади за единицу времени пропорциональна градиенту концентрации внедренного вещества, где коэффициентом пропорциональности является коэффициент диффузии D. Знак минус означает, что процесс переноса вещества происходит в направлении уменьшения концентрации.

Следует иметь в виду, что в данном случае речь идет о твердотельной диффузии, представляющей собой физический процесс перераспределения примеси внутри полупроводникового кристалла, который реализуется по вакансионному или междоузельному механизму.

Из закона сохранения вещества следует, что изменение концентрации во времени должно быть равно уменьшению диффузионного потока в том же объеме:

¶N(x, t) / ¶t = – ¶J(x, t) / ¶x. (9.21)

С учетом первого закона Фика получим

¶N(x, t) / ¶t = D.¶2N(x, t) / ¶x2. (9.22)

Уравнение (9.22) называют вторым законом Фика. Из него следует, что изменение локальной концентрации во времени пропорционально второй производной градиента концентрации. Коэффициент диффузии D имеет размерность см3/c.

К настоящему времени как концентрационная, так и температурная зависимости коэффициента диффузии, применительно к микроэлектронным структурам, детально изучены, и по исходным данным можно теоретически рассчитать профиль концентрации примеси, а следовательно и глубину залегания p–n-перехода. Зависимость коэффициента диффузии от температуры определяется формулой:

D = Do eхp( – Ea / kT). (9.23)

Кроме диффузии, легирование полупроводника можно осуществить методом ионной имплантации, т. е. внедрением вглубь материала ускоренных ионов (бора, фосфора, мышьяка и др.). В отличие от обычной диффузии, ионная имплантация проводится при температурах, близких к комнатной. Варьируя плотностью ионов и их энергией, можно создавать легированные области на определенной глубине (скрытые слои n-типа или p-типа). Единственным недостатком ионной имплантации является неизбежная генерация радиационных дефектов, которые однако отжигаются высокотемпературной обработкой.

Технические подробности процессов диффузии и ионной имплантации можно найти в соответствующей литературе.

9.4.1. Планаризация

К разряду технологических операций, связанных с модификацией поверхности, можно отнести и процесс планаризации, который необходим при переходе от однослойной планарной к многослойным структурам интегральных схем. Для реализации такого перехода необходимо изолировать слои ИС друг от друга и выравнивать поверхность первого слоя, так как на вертикальных ступеньках могут образовываться разрывы в металлизации. Процесс выравнивания поверхности первого слоя и называется планаризацией.

К планаризации предъявляется ряд требований:

· планаризующий слой должен быть диэлектриком, т. е. выполнять функции межслойной изоляции;

· планаризующий слой не должен вносить дополнительных дефектов в структуру интегральной схемы;

· процесс создания планаризующего слоя должен быть низкотемпературным, чтобы не разрушать микроструктуру.

Разработано несколько способов реализации указанного технологического процесса, однако одним из наиболее простых является следующий: нанесение тонкого слоя силикатного стекла (SiO2 на поверхность одним из низкотемпературных способов с последующим оплавлением путем температурного отжига. Для понижения температуры размягчения стекла и выравнивания поверхности силикатный слой легируется в процессе нанесения бором или фосфором, образуя боросиликатное (БСС), фосфоросиликатное (ФСС) или борофосфоросиликатное стекло (БФСС). Планаризующие слои формируют путем химического осаждения из газовой фазы, например путем вакуумного пиролиза элементоорганических соединений в вакууме при давлении 30 – 40 Па и температуре 600 – 700 оС. Таким образом, процесс планаризации осуществляется в два этапа: нанесение стекла и его оплавление, которое происходит при температуре около 800 оС в атмосфере сухого кислорода. Одним из параметров качества планаризации является угол неровности рельефа (угол планаризации).

Практика показывает, что во время планаризации могут возникать различного рода дефекты, как то: механические напряжения (растяжения и сжатия), приводящие к разрывам в металлизации и искривлению пластин; появление зарядовых состояний; образование и рост различных структурных дефектов, обусловленных большой концентрацией примеси; незапланированная диффузия понижение влагостойкости и др. Для предотвращения появления указанных дефектов используют различные приемы, в том числе и нанесение многокомпонентных материалов, в частности, полиимидов и легированных силикатных стекол. Один из процессов планаризации представлен на рис. 9.13.

При необходимости стравливания планаризующих слоев используют соответствующий вид плазменного травления: ПХТ полиимида, как и фоторезиста, проводят в кислородной плазме; ПХТ легированных силикатных слоев проводят во фторсодержащих средах, например, в CF4. Возможно одновременное стравливание различных компонент планаризации с одинаковой скоростью. В этом случае в качестве рабочей газовой среды используют смесь CF4 + O2.

Рис. 9.13. Последовательность операций при комплексной планаризации поверхности структур микросхем БФСС и фоторезистом:

1 – исходная структура; 2 – нанесение слоев БФСС и фоторезиста; 3 – ПХТ структуры в смеси CF4 + О2; 4 – сечение структуры после планаризации

Таким образом, процесс планаризации является технически весьма сложным и трудоемким. Он состоит из множества технологических операций, выполняемых на разнородном оборудовании, и безусловно требует тщательного послеоперационного контроля на каждом этапе его реализации.

10. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КОНТРОЛЯ

В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Основной задачей современной микроэлектроники является разработка и изготовление интегральных микросхем (ИМС), отвечающих постоянно возрастающим требованиям по надежности и качеству. Отметим, что понятие «качества» до сих пор не имеет четкого количественного определения и трактуется как совершенство продукции.

Качество ИМС в значительной степени определяется уровнем технологии их изготовления. А поскольку весь цикл технологического процесса может содержать более ста различных операций, то правомочно говорить о весовом коэффициенте в общем понятии качества каждой из них. Такой подход позволяет установить обобщенный показатель качества.

Q = åmigi / åmi, (10.1)

где mi – весовой коэффициент соответствующей группы показателей, а gi – групповой показатель качества.

Существует несколько групповых показателей качества ИМС: по технологичности, надежности, степени интеграции и миниатюризации, экономичности; по электрическим, оптическим и механическим параметрам и др. Каждая из этих групп может быть выражена безразмерным коэффициентом для оценки ее вклада в общий показатель качества. Так, например, для цифровых ИМС одним из обобщенных показателей качества может быть энергетический коэффициент быстродействия

F = Wt, (10.2)

где W – удельная мощность, потребляемая одним элементом, а t – среднее время задержки сигнала на один элемент.

Для определения потенциально возможного быстродействия ИМС вводится коэффициент, состоящий из произведения подвижности носителей заряда (m) на теплопроводность полупроводникового материала (s):

k = ms. (10.3)

Наиболее эффективным способом повышения качества ИМС является применение эффективных методов контроля с целью выявления и устранения причин появления различного рода дефектов в ходе технологического процесса.

10.1. Классификация методов контроля

В основу классификации методов контроля качества ИМС могут быть положены различные параметры и подходы. Если исходить из логической последовательности технологических процессов изготовления ИМС, то уместно говорить о производственной классификации, включающей входной, пооперационный и выходной контроль.

Входной контроль сводится к определению входных параметров полупроводниковых пластин, металлов, диэлектриков, а также других материалов и устройств, которые будут использованы в технологическом процессе: фотошаблоны, элементы корпусов, реактивы и газы.

Пооперационный контроль предполагает определение основных параметров изготавливаемой ИМС после каждой операции: толщины и проводимости эпитаксиального слоя, толщины, равномерности, сплошности и электрической прочности диэлектрических слоев SiO2 и Si3N4; профиль концентрации диффузионной примеси, качество металлизации и др. Следует подчеркнуть, что в большинстве случаев перечисленные параметры определяются после завершения определенной операции, что является одним из недостатков данного метода контроля.

Выходной контроль сводится к определению электрических, оптических, механических и других необходимых параметров отдельных кристаллов с готовыми ИМС, а также качества корпусирования и к проведению климатических и эксплуатационных испытаний готовых изделий. При определении степени надежности ИМС применяются ускоренные испытания при повышенных значениях питания, температуры и других внешних воздействий.

По количеству контролируемых параметров и пластин различают сплошной (100%) и выборочный контроль.

По степени воздействия на контролируемую ИМС контроль может быть как неразрушающим, так и выборочно разрушающим, в частности, при определении прочностных характеристик.

Наконец, по способу контроля применяется визуальный, параметрический и функциональный контроль.

Визуальный контроль – это контроль под микроскопом внешнего вида формируемых структур после основных этапов фотолитографии и особенно металлизации с целью обнаружения внешне видимых дефектов: короткие замыкания или разрывы полосок при металлизации и другие непредвиденные изменения в топологии.

Параметрический контроль сводится к определению параметров отдельных элементов ИМС путем тестирования или использования «спутников», специально формируемых на той же пластине одновременно с основной схемой.

В силу малых локальных размеров и неразличимости отдельных элементов, а также большого их количества, используют функциональный контроль с применением тестирующих систем и ЭВМ, сопряженных с тестовым прибором. Например, тестирование цифровых ИМС состоит в подаче на вход логических сигналов в определенной последовательности, регистрацией выходных сигналов и их анализ.

В последнее время в связи и повышением степени интеграции ИМС и появлением СБИС и особенно с внедрением плазменной технологии при обработке поверхности полупроводникового кристалла (нанесение и травление тонких слоев) при создании субмикронных размерных структур, роль контроля в технологии микроэлектроники постоянно возрастает. В частности, необходим переход от пооперационных способов контроля к оперативному контролю хода технологического процесса и, особенно, с фиксацией момента окончания процесса. Определение конечной точки каждого технологического процесса должно быть одним из звеньев процесса контроля, который должен сочетать и процесс управления и оптимизации конкретной технологии.

Преждевременное прекращения процесса будет сопровождаться его незавершенностью, например, неполное удаление фоторезиста, или неполное вскрытие окон в слое окисла. Контакт плазмы после завершения процесса травления также нежелателен, ибо он может привести к изменению свойств поверхности ниже лежащих слоев, например, окисления алюминия после удаления фоторезистивной маски; появлению подтравов и изменению геометрических размеров рисунка ИМС. Прогнозировать момент окончания процесса по времени не представляется возможным, ибо даже при стабилизации внешних параметров генератора плазмы, расхода газовой среды и ее химического состава до начала процесса обработки. Параметры плазмы с началом травления претерпевают изменения вследствие неизбежного поступления в объем реакционной камеры продуктов травления, химического взаимодействия между частицами, сопровождающимся распадом одних молекул и образованием других; осаждением на стенках реакционной камеры и электродах нелетучих продуктов реакции, изменением потенциала поверхности и др. Эта естественная нестабильность плазменной среды приводит к нарушению воспроизводимости параметров изделий.

Процесс контроля осложняется еще и потому, что, кроме конструктивных различий плазменной аппаратуры, для оптимизации процесса используют сложные газовые смеси: к основному газу примешивают различного рода добавки, что еще более усложняет кинетику плазменной обработки.

Наконец, следует отметить, что любой метод контроля должен быть адаптирован под конкретный технологический процесс, используемую аппаратуру и отработанную технологию. Именно это обстоятельство вынуждает любой метод контроля быть индивидуальным даже для однотипных установок и одинаковых технологических процессов. Это первое и основное требование. Второе требование к методу контроля заключается в том, что он, по возможности, должен быть бесконтактным с тем, чтобы не вносить дополнительных возмущений или нежелательных примесей в плазму. Наконец, метод контроля должен быть сопряжен с управлением установки, например, для автоматического отключения генератора в момент завершения процесса. При многостадийности технологического процесса устройство контроля должно автоматически оптимизировать процесс и выдавать команды на смену операции. Само собой разумеется, что метод контроля должен быть надежным, а соответствующая аппаратура малогабаритной и, по возможности, простой в обслуживании. Перечисленные проблемы могут быть успешно решены с использованием ряда физических методов контроля.

10.2. Физические методы контроля

Исходя из физической концептуальной диаграммы микроэлектроники, согласно которой все технологические процессы изготовления ИМС подразделяются на три большие группы: нанесение тонких слоев, удаление тонких слоев и модификация поверхности, целесообразно этот подход распространить и на соответствующие методы контроля, положив в основу классификации хорошо разработанные физические методы диагностики. Перечень и краткая характеристика диагностических методов, которые могут быть использованы для контроля технологических процессов, представлены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Диагностические методы и физические явления, которые могут быть исполь-

зованы в системах контроля технологических процессов микроэлектроники

Окончание табл. 10.1

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12