мощности 0,4 Вт/см2. В табл. 11.5 приведены основные сочетания газов, используемых для травления в полупроводниковой технологии.

Таблица 11.5

Газ или смесь Стравливаемый материал

CF4+4-8% 02 Si, поликремний, Si02, S13N4 Mo, Та

SiF4 Si, поликремний, S13N4

SFe Si

CF4+10—48% Н2 Si02

Не+3% CF4+0,5% 02 S13N4 над Si и Si02

СО С12+50% 02 Al, Si02

Cr

C2CI2F4 Au

C3F8 Si02, электронорезист ПММА

о2 Фоторезисты

Применение плазмохимического травления позволяет полностью исключить из технологического цикла токсичные и агрессивные

248

кислоты и другие химические реагенты, вносящие загрязнения на поверхность подложки, а также избавиться от промывочных операций и сушки. Плазмохимическая обработка имеет высокую производительность и обладает лучшей точностью поддержания заданных размеров элементов, обеспечивает меньшую ширину линии по сравнению с химической обработкой. Особенно важно то, что плазмохимическое травление применимо для обработки фоторезистов, в том числе для удаления их с поверхности структур после завершения операции фотолитографии. Оно производится в кислородной плазме, в которой органический фоторезист фактически полностью сгорает без каких-либо остатков на поверхности. Травление тонких металлических покрытий предпочтительнее производить в плазме хлорсодержащих соединений, например четыреххлористого углерода (см. табл. 11.5).

Маски для травления микроструктур. Одно из основных применений процессов ионно-плазменного травления — создание топологического рельефа па полупроводниковой пластине, покрытой тонкими пленками различных материалов. Топологический рельеф получают с помощью предварительно сформированной на поверхности пластины защитной маски. Для качественной передачи- изображения с фотошаблона на подложку маска должна иметь угол наклона боковых стенок в «окнах», близкий к 90°, быть стойкой к воздействию ионной бомбардировки и иметь скорость распыления намного меньшую, чем ¦ материалы на подложке. Отношение толщины маски к толщине распыляемого материала должно быть минимальным, что обеспечивает высокое разрешение маски, т. е. точность передачи размеров изображений. С уменьшением толщины маски ее. разрешение возрастает, так как при этом не так сильно сказывается влияние переосаждения. При малых толщинах маски существенно повышаются требования к ее стойкости к воздействию ионной бомбардировки. Критерием выбора толщины является соотношение коэффициентов распыления материала маски Км и подложки Кп. Через маску толщиной hM можно произвести травление подложки на глубину h„:

K=KKJKM.

В качестве защитных тонкопленочных масок, применяемых при ионно-плазменном травлении, используют органические полимерные материалы: фоторезисты, электронорезисты и др., а также пленки металлов и диэлектриков. Скорость травления органических материалов обычно сравнима со скоростью травления материалов подложек, поэтому глубина травления подложки близка к толщине маски, однако /гм = 0,5-ь1,5 мкм. Наличие в камере химически активных газов (кислород, пары воды) ведет к сильному возрастанию Км, поэтому парциальные давления их не должны превышать 10~4 Па. Термостойкость органических масок невелика, что ограничивает плотность мощности ионного тока на мишени и не позволяет получать больших скоростей распыления без принудительного охлаждения мишени и подложек. Для неохлаждае-

249

мой мишени критическая мощность составляет 0,05 Вт/см2, для охлаждаемой — 0,5 Вт/см2, если образцы хорошо прижаты к мишени— до 1 Вт/см2. Ионная бомбардировка повышает стойкость органических масок к растворению в химических реагентах. Для решения проблемы удаления масок их делают'тонкими, полностью распыляемыми за время травления, либо толстыми, чтобы ионы не воздействовали на них по всей толщине. Более кардинальный способ решения проблемы — удаление органической маски с помощью плазмохимического травления в кислородосодержащих Таблица ??.6 газовых смесях.

- Менее требовательны к составу остаточной среды и воздейст-а вию ионной бомбардировки ме-таллические маски. Они выдержи-0,08 вают в 3—4 раза более высокие плотности мощности ионного тока, что позволяет повысить скорость травления. В качестве металлических масок используют пленки Ti, Сг, V, Мо, Та, А1. Скорость травления их резко понижается при добавлении к инертному газу небольших количеств кислорода. Через такие маски можно проводить глубокое травление материалов, скорость травления которых незначительно уменьшается в присутствии кислорода (Si, Si02, Si3N4, Си, Ag и др.) или совсем не уменьшается (Au, Pt, GaAs и др.).

В табл. 11.6 даны скорости травления масок в присутствии кислорода (Ро2~10-2 Па) для ионов Аг при Е=\ кэВ и j — = 0,6 мА/см2.

Маска точно воспроизводит на подложке заданный рисунок только до определенного момента травления. Даже при вертикальных боковых стенках «окна» в маске верхние края этих окон имеют некоторый скос. Ионы бомбардируют эти края не под прямым углом. Это вызывает возрастание коэффициента распыления н ведет к образованию граней на боковых стенках окон маски. Дальнейшее возрастание скорости травления приводит к стравливанию маски и подтравливанню материала подложки (рис. 11.7, а).

При травлении углублений в подложке атомы распыляемого вещества движутся не только по нормали к поверхности, но и под малыми углами к ней. Встречая на своем пути выступы в маске или подложке, частицы распыляемого вещества осаждаются на этих боковых поверхностях —происходит процесс переосаждения (рис. 11.7, б). Переосаждение интенсифицируется с увеличением плотности элемеятов рельефа на поверхности образца. Наличке переосаждения часто ведет к замыканию соседних элементов ИМС, уменьшает скорость травления узких канавок.

Отражение ионов от боковых стенок маски при углах падения, больших максимальных, ведет к повышению скоростей распыления подложки около основания маски и вызывает изменение профиля в рельефе травления. Эффект отражения увеличивает поток бомбардирующих подложку ионов и образует у основания элемен-

250

Маска

TI Cr

??

?, нм/с

0,026

0,022

0,068

тов канавку (рис. 11.7, в). Наличие этой канавки в многослойных покрытиях может привести к их замыканию. Для устранения

Рис. 11.7. Процессы подтравливаиия маски (а), переосаждеиия (б) и образования канавок (в)

эффекта отражения ионов используют наклон и вращение подлож-кодержателей относительно направления падения пучка ионов порядка 20—30°.

§ 11.4. Изготовление межзлементных соединений и контактов

Соединительная металлизация. Одно из важнейших применений напылительно-распылительных процессов — это создание металлических токопроводящих шин между электродами элементов ИМС и контактных площадок. Соединительные шины в ИМС принято называть межэлементными соединениями или межсоединениями. Занимаемая ими площадь сравнима (а иногда превышает) с площадью активных и пассивных элементов. Требования к способу металлизации можно определить. исходя из заданных электрических параметров, процента выхода годных изделий, надежности, простоты изготовления и стоимости. Каждый из указанных факторов в свою очередь зависит от трех самостоятельных требований, предъявляемых к системам металлизации в кремниевых ИМС. Система металлизации кремниевых электродов активных и пассивных элементов микросхемы должна обеспечивать низкое сопротивление контакта. Металл должен обладать хорошим сцеплением с диэлектриком, допускать разделение пленки на очень узкие полоски (высокое разрешение) и должен быть металлургически совместимым со сплавами, которые применяются для присоединения внешних выводов.

Типичная последовательность операций при изготовлении ИМС такая: напыление металла, нанесение на полученную пленку с помощью фотолитографии требуемого рисунка и термообработка или вжигание для образования низкоомных контактов к кремнию. При изготовлении многослойной структуры полупроводниковые пластины подвергают дополнительным операциям: нанесение диэлектрика, фотолитографическая обработка с целью образования окон в диэлектрике там, где требуется контакт к нижней

251

металлической плёнке, осаждение второго слоя металла и нанесение рисунка на него.

Алюминиевые межсоединения. Наиболее широкое применение

при изготовлении межэлементных соединений в кремниевых ИМС получила технология металлизации алюминием. Использование алюминия дает многие преимущества. Алюминий позволяет изготовить ИМС с металлизацией лишь одним металлом, что значительно упрощает технологию. Его испарение в вакууме —наиболее отработанный и легко осуществляемый процесс. Алюминий обладает хорошей адгезией к оксидам. Пленки алюминия легко обрабатываются методами фотолитографии для получения межэлементных соединений необходимой конфигурации. Испарение алюминия производят из тиглей с косвенным подогревом или с помощью электронного луча. В интегральных микросхемах пленки алюминия имеют толщину ~1 мкм. В многослойных структурах со многими уровнями металлизации первый слой металла часта делают более тонким.

Пленки, нанесенные на аморфную поверхность диоксида кремния, выращенного термическим оксидированием, являются поликристаллическими. Они имеют зеркально-гладкую поверхность, однако под действием повышенных температур последующих технологических процессов происходит рост кристаллитов и поверхность становится шероховатой. Удельное сопротивление пленки А1 толщиной 1 мкм составляет 3-Ю"6 Ом-см и на 10—20% превышает удельное сопротивление чистого алюминия. Пленки алюминия на оксидированных пластинах кремния при комнатных температурах обычно находятся под действием растягивающих напряжений порядка (l-i-2) ·105 Н/см2.

Создание определенного рисунка производится методом фотолитографии. В серийных ИМС ширина линий и зазоров между ними составляет 5—10 мкм. В СБИС эти размеры на порядок меньше. После получения нужного рисунка алюминиевое покрытие подвергают термообработке для получения низкоомного контакта к кремнию. Режим отжига составляет несколько минут при 550°С. Эта температура ниже температуры появления жидкой фазы в системе А1 —Si. Опера