Лекционный материал по дисциплине "Наноинженерия" - ТРЕБОВАНИЯ К ОСНОВНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ И ПРИМЕНЯЕМОМУ ОБОРУДОВАНИЮ

Лекция  . ТРЕБОВАНИЯ К ОСНОВНЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ И ПРИМЕНЯЕМОМУ ОБОРУДОВАНИЮ

2.1 Жидкостные химические процессы

В производстве ИС с проектными нормами 0,5 мкм и менее необходимо обеспечить чистоту поверхности пластины с поверхностной концентрацией:

1. щелочных и тяжелых металлов < 50 ат/см²;

2. алюминия и кальция < 10 ат/см²;

3. органических примесей (по С) < 10 ат/см².

Привносимая дефектность, связанная с наличием микрочастиц на поверхности, должна составлять не более 0,02 см²

Комплекс химических обработок (химобработок) в процессе производства состоит из следующих операций (в соответствии с базовым технологическим маршрутом):

1. финишная химобработка;

2. удаление фоторезиста;

3. травление оксидов, стекол;

4. травление нитрида кремния.

Жесткие требования к чистоте поверхности пластин после химобработок определяют и требования к оборудованию для их проведения:

- конструкционные материалы, контактирующие с химическими реактивами и пластинами, не должны подвергаться деградации под их влиянием и не вносить дополнительные загрязнения в химреактивы и деионизованную воду (ДВ); как правило, это фторопласт типа PFA или кварц двойного переплава,

- степень обработки (шероховатость) деталей и узлов оборудования должна исключить возможность накопления загрязнений и генерации микрочастиц; шероховатость должна быть меньше 0,3 мкм, нагрев реагентов должен проводиться радиационными нагревателями; точность поддержания температуры в ваннах не должна превышать 0,1°C;

- перемещение пластин должно производиться автооператором с точностью позиционирования не хуже 1 мкм;

- метод обработки - бесконтактный (облегченные кассеты, имеющие минимальную поверхность и массу, изготовленные, предпочтительно, из кварца);

- трубопроводы подачи реагентов и деионизованной воды должны иметь минимальное количество разъемных соединений;

- необходимо обеспечить автоматический ввод и корректировку технологических программ, отображение текущей информации о работе систем оборудования, диагностирование оборудования.

Учитывая, что проведение процессов требует различной компоновки линий химобработки, оборудование должно иметь модульное исполнение с высокой степенью унификации узлов и деталей.

В целях экономии дорогостоящих высококачественных реактивов и увеличения экологической безопасности оборудование должно быть ресурсосберегающим с рециркуляцией реагентов и их повторным использованием.

2.1.1. Химические материалы

Решающее влияние на качество химобработок и выход годных изделий оказывает чистота применяемых химических реактивов. Это влияние начинает серьезно сказываться уже при содержании металлических примесей на уровне единиц ррв, а на некоторых операциях, таких как формирование подзатворного диэлектрика, это влияние заметно уже при концентрациях ниже 1 ррв. На таких операциях необходимо использование реактивов с суммарным содержанием примесей 1 ррв. и ниже, причем количество контролируемых элементов должно составлять 40-50. Кроме того, качество химреактивов определяются также и содержанием микрочастиц. Исходные реактивы должны содержать не более 250 частиц (размером более 0,5мкм) в одном миллилитре. Такие химреактивы выпускаются зарубежными фирмами (например, фирмой “MERK”).

Но даже имея химические реактивы указанного качества, их подготовка и доставка к технологическим ваннам является сложной технической задачей, так как необходимо не только сохранить общий уровень содержания примесей, но и значительно уменьшить количество микрочастиц. Оборудование для подготовки (перекачка из тары поставщика в оборудование заказчика, смешивание необходимых компонентов) и система доставки (насосы, трубопроводы) должны содержать хотя бы двухступенчатую (предварительную и финишную) систему фильтрации. Конструкционные материалы не должны вносить дополнительные загрязнения в химреактивы. Данные материалы и оборудование изготавливают такие фирмы, как “Milipore” (США), “Georg Fisher” (Швейцария) и др. Учитывая ограниченный размер зон обслуживания химического оборудования, необходимо их разгрузить от систем закачки химреактивов, разместив их в специальных помещениях, а доставку реактивов к точкам потребления осуществлять по трубопроводам. Оборудование для подготовки растворов должно предусматривать возможность приема реактивов из тары поставщика с одновременной фильтрацией, хранением их с постоянной рециркуляцией через фильтр, и с помощью насосов или методом “передавливания” осуществлять подачу реактивов к точкам использования.

Для производства плавиковой, соляной кислот, аммиака водного и перекиси водорода необходимо использовать, так называемые, генераторы химреактивов в точке использования. Применение их позволит получать продукцию высокой степени чистоты (суммарное содержание металлических примесей не более 500 ррв) и снизить их стоимость на порядок.

2.2. Физико-термические процессы

К группе термических процессов отнесем: эпитаксию, окисление, осаждение поликристаллического кремния (Si*), Si₃N₄, SiO₂, отжиг, включая активацию ионнолегированных слоев, и вплавление контактов.

Рис. 2.2.1. Классификация термических процессов.

Определим основные принципы построения технологических процессов (техпроцессов) и выбора оборудования:

- интеграция процессов окисления и осаждения для устранения (уменьшения количества) перегрузок пластин из реактора в реактор,

- дополнительная газохимическая очистка поверхности перед каждым термическим процессом,

- минимизация факторов неконтролируемого воздействия на параметры структур (эрозия поверхности кремния при формировании подзатворного диоксида кремния, генерация микрочастиц и др).

2.2.1. Эпитаксия

Процесс эпитаксии применяется при изготовлении биполярных, БиКМОП и КМОП микросхем. Кроме этого, использование эпитаксии для КМОП схем позволяет за счёт специально формируемого высоколегированного скрытого слоя эффективно решить проблему паразитной тиристорной структуры (эффект «защёлки»). Еще одним положительным эффектом применения эпитаксии является геттерирующий эффект скрытого слоя относительно микропримесей металлов, имеющихся в подложке.

Эпитаксиальный слой для КМОП и БиКМОП СБИС характеризуется следующими основными требованиями:

- диапазон толщин 1,5-5мкм с разбросом (3%),

- диапазон удельного сопротивления 0,5÷5 Ом∙см (5%),

- плотность дислокаций < 1 см²,

- отсутствие линий скольжения,

- привнесенный прогиб < 20 мкм,

- привнесенная дефектность (частицы >0,2 мкм) < 0,05 см².

Для реализации этих требований необходимо применить процесс низкотемпературной эпитаксии (Т<1000°C) из моносилана или дихлорсилана при пониженном давлении на оборудовании с инфракрасным нагревом, многопозиционным контролем температуры и ее регулированием в реальном масштабе времени. Обеспечение высокой равномерности температуры и распределения парогазовой смеси в реакторе достигается на оборудовании с индивидуальной обработкой пластин.

Рис. 2.2.1. Камера реактора эпитаксии

Схема реактора эпитаксии:

1- поступление газа

2- подложки

3- катушки индуктивного нагрева

4- графитовая основа

5- выход

Для обеспечения нужного уровня привносимой дефектности оборудование должно предусматривать газохимическое травление реактора, роботизированную загрузку-выгрузку пластины, систему эффективной фильтрации газов, а также быть совместимым с SMIF-портом

                                              Рис. 2.2.2 Реакторы для эпитаксии

Для обеспечения низкого уровня привносимой дефектности предусматривается газовое травление камеры после каждой обрабатываемой пластины.

2.2.2. Окисление, осаждение, отжиг

Маршрут изготовления БиКМОП и КМОП БИС включает в себя операции термического окисления кремния, осаждения Si₃N₄, осаждения поликристаллического кремния. Технологический процесс создания подзатворного диэлектрика должен обеспечить:

- толщину 10 нм и разброс 2%,

- фиксированный заряд <1,5∙109 см^-2,

- подвижный заряд <5∙108 см^-2,

- плотность дефектов < 0,2 см^-2

Рис.2.2.3 Камера отжига

Схема камеры отжига:

1- заглушка

2- 3х-зонная печь

3- реактор (кварцевая трубка)

4- подложки

5- поступление кислорода или пара

Для реализации указанных параметров технологический процесс окисления должен включать следующие операции.

1. Газохимическая очистка (ГХО) пластин в парах HF (стравливание естественного оксида с удалением примеси металлов) непосредственно на установке окисления перед загрузкой в реактор. Пластины после ГХО и в процессе загрузки должны находиться в контролируемой азотной среде. Применение ГХО позволяет снизить уровень загрязнения металлами на 1-2 порядка.

2. Для снижения термического бюджета уже сформированного канала и сокращения времени на нагрев и охлаждение пластин. температура окисления не должна превышать 1120-1170°С. Для пластин диаметром 200 мм с целью минимизации эффекта коробления рекомендуемая скорость нагрева <10 град/мин., а охлаждения - <3 град/мин. Массивные пластины требуют применения специальной термостабилизации в течение 15-30 мин. после вывода печи на температурный режим (700-900ºC).

3. Подзатворный оксид должен формироваться пирогенным влажным окислением с последующим отжигом в хлорсодержащей среде при 850ºC. Пирогенное окисление, в отличие от сухого, повышает устойчивость оксида к электрическому пробою.

4. Важным является применение приёма предокисления (2нм) при 700ºC (в сухом кислороде) перед выводом печи на рабочий режим 850ºC. Этим исключается возможная эрозия поверхности кремния, которая способна резко снижать электрическую прочность подзатворного оксида.

5. Разгрузка пластин должна осуществляться при температуре 600ºC после завершения медленного охлаждения в чистом азоте, релаксирующего механические напряжения при сохранении низкой плотности поверхностных состояний.

6. Для обеспечения гарантированного контроля газовых сред в реакторе и сокращения временных потерь при замене среды целесообразно использование вакуумной откачки.

7. Реализация принципа интеграции процессов на базе универсального реактора вертикального типа с формированием узла подзатворного оксида и затвора в едином процессе без перезагрузки.

2.3. Процесс ионной имплантации

Производство ИС ставит перед технологией ионной имплантации такие задачи, как создание диффузионных областей карманов с точным поддержанием поверхностной концентрации и мелкозалегающих областей исток-сток, точная подгонка порогового напряжения и т.п. При этом разрабатываемые имплантационные процессы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- равномерность легирования по площади пластин;

- воспроизводимость процессов по партиям пластин;

- низкий уровень загрязнения металлическими примесями.

При переходе на субмикронные размеры возникает ряд проблем, связанных конструктивными ограничениями элементов ИС:

- ограничения плотности упаковки из-за эффекта «защёлки» и токов утечки между элементами;

- эффект «короткого канала»;

- формирование сверхтонких стоков-истоков областей;

- проблемы «горячих электронов» (высокая напряжённость электрического поля вблизи области стока).

Решение указанных проблем, а также необходимость высокой прецизионности и чистоты процессов требует использования соответствующего ионно-лучевого оборудования, отвечающего следующим основным требованиям:

· высокая производительность при обработке пластин диаметром 150-200 мм (в т.ч. при энергии 3-10 КэВ);

· высокая равномерность и повторяемость набора дозы 1σ<0,5%;

· низкая привносимая дефектность < 0,18 см^-2;

· легирование под углом до 60°;

· легирование с энергией до 500-750 кэВ;

· минимальное загрязнение примесями тяжёлых металлов <6×1010 см^-2;

· возможно полная автоматизация.

Рис. 2.3.1 Установка NV-GSD

Наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает оборудование фирмы “Eaton”. Для реализации БиКМОП и КМОП маршрутов обычно используются два типа установок ионного легирования: установкe малых и средних доз NV-8200Р и сильноточную установку NV-GSD/200T.

Основные характеристики установок приведены в таблице 2.3.

Таблица .2.3. Характеристики установок ионного легирования.

2.4. Многоуровневая металлизация

Производство СБИС с субмикронными проектными нормами предъявляет жесткие требования к технологическим процессам формирования проводящих и диэлектрических слоев в маршруте создания многоуровневой металлизации, а также используемому для этих процессов спецтехнологическому оборудованию. Технология многоуровневой металлизации должна обеспечить решение ряда проблем, характерных для изделий данного уровня:

- заполнение диэлектриком узких, шириной до 0,35-0,70 мкм, зазоров в топологическом рельефе (с соотношением высоты рельефа к ширине зазора (параметр Aspect Ratio, (AR) 2.0 - 3.0) без образования пустот и возникновения избыточных локальных механических напряжений;

- получение локально планаризованной поверхности диэлектрика в областях с близким расположением линий разводки, а также недопущение отрицательного угла наклона боковых стенок слоя диэлектрика и "эффекта телесного угла" (Top Corner Overhang) для диэлектрика, осаждённого на одиночных линиях;

- формирование (с учётом требований субмикронной фотолитографии по глубине фокуса) глобально планаризованной поверхности диэлектрика методом химико-механической полировки (ХМП);

- предотвращение нарушения сплошности и избыточного утонения проводящих слоев на боковых стенках малоразмерных контактных окон с высоким значением параметра AR (2.0-3.0) различного функционального назначения (например, адгезионных на основе Ti и барьерных на основе TiN), а также обеспечение достаточной толщины адгезионных и барьерных слоев на дне контактных окон с высоким значением AR;

- заполнение малоразмерных контактных окон (параметр AR=2.0-3.0) низкоомным проводящим материалом (Al или W) с обеспечением локальной планарности формируемой структуры;

- обеспечение низкого сопротивления контактов в системе металлизации;

- снижение расходования материала подложки при формировании контактов к мелкозалегающим (0,15-0,25мкм) p-n-переходам;

- минимизация бюджета времени термических обработок при формировании слоев проводников и диэлектриков;

- управление величиной и знаком механических напряжений в формируемых слоях для обеспечения минимальной деформации и надежности металлизации;

- выбор материалов, обеспечивающих расширение технологических возможностей изготовления структур металлизации с высокой стойкостью к электромиграции и коррозионной стойкости, а также материалов, обеспечивающих высокоэффективные барьерные свойства, предотвращение деградации мелкозалегающих p-n переходов и структур проводящих слоев металлизации;

- изготовление мишеней для систем магнетронного распыления марки 4N-6N (99,99%-99,9999% по основному компоненту) с содержанием отдельных примесей, например, тория и урана, на уровне ниже 1 ррв.

Формирование высококачественных структур металлизации субмикронных СБИС, преимущественно с многослойной структурой проводника, также неизбежно требует интеграции различных стадий изготовления структур проводящих слоев в технологические микро циклы, реализуемые на высоковакуумном кластерном оборудовании при помощи модифицированных методов физического осаждения из газовой фазы или их комбинации с химическим газофазным осаждением (PVD или PVD\ CVD).

Такие технологические микроциклы включают в себя интегрированные процессы сухой очистки поверхности подложек (в т.ч. in-situ в реакторе для химического газофазного осаждения проводящих слоев) и могут сочетаться с процессами планаризации осажденных слоев обратным травлением (Etch back), а также быстрого термического отжига (БТО) в контролируемой технологической среде.

Для решения ключевых проблем формирования проводящих слоев диэлектриков в маршруте многоуровневой металлизации субмикронных СБИС разработаны промышленные технологии, основанные на использовании процессов плазмохимического осаждения, процессов осаждения планаризованных слоев SiO2, ФСС, БФСС при субатмосферном давлении, процессов осаждения планаризованных слоев SiO2 в плазме высокой плотности (HDP - CVD) с ВЧ- и СВЧ- возбуждением; процессов сглаживания слоев диэлектриков физическим ионным/реактивным-ионным травлением; процессов глобальной планаризации диэлектриков и вольфрама.

Рис. 2.4.1 Камера CVD реактора
Схемы CVD и двух вариантов PVD представлены ниже:

1- датчик давления

2- 3х-зонная печь

3- загрузочная заслонка

4- поступление газа

5- подложки

6- реактор (кварцевая трубка)

7- насос

Фирмой «Applied Materials Inc.» (США) предлагается для нужд субмикронной технологии комбинированный процесс создания проводящих слоев системы металлизации, названный Giga-Fill. Данный процесс включает в себя стадии газофазного химического осаждения тонких слоев TiN (из металлоорганического источника) и Al в сочетании с физическим осаждением из газовой фазы других типов проводящих слоев (таких, как Ti и сплав Al-Si-Cu) и реализован в кластерной системе на базе платформы Endura.

Данной фирмой также разработан интегрированный процесс газофазного химического осаждения сплошного слоя W с последующим обратным травлением, пригодный для заполнения малоразмерных контактных окон и планаризации поверхности структуры; соответствующие технологические модули могут устанавливаться на платформы Centura и Endura.

2.4.1. Формирование проводящих слоев

При формировании проводящих слоев используются методы физического осаждения из газовой фазы (PVD), а также химического осаждения из паровой фазы (CVD). Узловыми моментами формирования многоуровневых межсоединений СБИС являются этапы создания вертикальных контактов к транзисторной структуре и между уровнями проводников. К транзисторной структуре контактное окно заполняется обычно вольфрамом (W), a между уровнями проводников - алюминием. В обоих случаях необходимо формирование контактов на основе системы титана и нитрида титана (Ti и TiN).

Назначение слоя Ti в системе Ti/TiN заключается в том, что он реагирует с низлежащим слоем в контактном окне, снижая сопротивление контакта. Чтобы достичь этого результата, слой Ti должен надёжно покрывать дно окна (отверстия). В случае вольфрамовых пробок TiN выполняет как роль промотора адгезии, так и барьера, который предотвращает взаимодействие гексафторида вольфрама (WF6) с нижележащим слоем TiN или Аl. Минимальная толщина TiN, требуемая для W и Аl вертикальных контактов, 5нм и 25нм соответственно.

Ниже приведенные методы формирования проводящих слоев, наиболее широко применяемые и/или исследуемые зарубежными фирмами в производстве СБИС с проектными нормами в субмикронном диапазоне:

- осаждение при пониженном давлении (LPCVD) сплошных слоев W для заполнения контактных окон и формирования планаризованных вертикальных межсоединений (с последующим обратным травлением (Etchback));

- плазмохимическое осаждение (PECVD) тонких слоев Ti (контактные и адгезионные слои) и TiN (барьерные слои), в т.ч. осаждение in-situ;

- осаждение при пониженном давлении (LPCVD) тонких слоев TiN (барьерные слои, антиотражающее покрытие (ARC)) на базе неорганических (Inorg LPCVD) и ме-таллоорганических (MOCVD) источников;

- осаждение при пониженном давлении (LPCVD) тонких слоев Al (для интеграции с процессом заполнения контактных окон слоем Al методом "горячего" PVD),

- избирательное осаждение при пониженном давлении (Selective LPCVD) слоев TiSi2 для формирования самосовмещенных контактов к областям моно- и поликристаллического кремния.

2.4.2. Межуровневая изоляция и пассивация

Наиболее широко используемые методы получения диэлектрических слоев при производстве СБИС с проектными нормами в субмикронном диапазоне:

- субатмосферное осаждение из паровой фазы из смеси паров тетраэтоксисилана (ТЭОС) и озона (О3) -SACVD;

- плазмохимическое осаждение из элементоорганических соединений (PETEOS) и гидридных источников (PECVD); в т.ч. с использованием плазмы высокой плотности (I- IDPCVD).

По данным зарубежных источников, для заполнения диэлектриком малоразмерных зазоров с высоким значением AR пригодна технология, основанная на использовании процессов конфорного осаждения из газовой фазы при субатмосферном (500-700 мм. рт. ст.) давлении (SACVD).

В качестве источников кремния и легирующих примесей используются жидкие элементоорганические соединения (например, ТЭОС) и О3 - в качестве окислителя.

Составным элементом технологии SACVD является предварительное плазмохимическое осаждение тонкого барьерного слоя диэлектрика (SiO2, SiOxNy, Si3N4 или их комбинация) и герметизация SACVD слоя одним из указанных видов слоев и/или слоем ФСС, БФСС; плазмохимическое осаждение слоев на базе SiO2 может проводиться с использованием вышеназванных элементоорганических источников (РЕ-TOES). Для улучшения конформности осаждения слоев плазмохимических диэлектриков (в частности, исключения отрицательного угла наклона боковых стенок осажденного слоя в структурах с AR >1.0), с контролем плотности осажденного слоя и уровня механических напряжений применяются процессы с низкочастотной модуляцией ВЧ-плазмы (MF PETOES CVD, MF PECVD).

Процесс осаждения нелегированного слоя SiO2 при субатмосферном давлении позволяет заполнять без образования пустот зазоры в топологическом рельефе с величиной параметра AR от 1,5-1,8 до 2,3-2,7; для слоев БФСС достигнуто заполнение зазоров с AR до 4,0 (с учетом влияния на величину AR частичного заполнения зазора барьерным слоем плазмохимического диэлектрика; достигается эффект локальной планаризации и низкий уровень механических напряжений в полученной многослойной диэлектрической структуре (структура с компенсацией напряжений)).

Процессы плазмохимического осаждения из гидридных источников отличаются повышенной производительностью и могут применяться для частичного заполнения зазоров, осаждения на сглаженную глобально планаризованную поверхность. Целесообразно осаждение с использованием ТЭОС и гидридных источников проводить в отдельных реакционных камерах в пределах кластерной системы

Процессы физического ионного травления (распыление ионами Аг) могут использоваться на промежуточной стадии заполнения узких зазоров для модификации профиля осажденного слоя диэлектрика (исключение отрицательного угла наклона боковых стенок) и для сглаживания осажденного слоя. Процессы реактивного ионного травления могут применяться в высокопроизводительной технологии сглаживания осажденного слоя и для формирования пристеночных структур (Sidewall Spacer) на боковой поверхности линий разводки (в т.ч. с отрицательным углом) и в контактных окнах. Целесообразна реализация процессов как физического ионного, так и реактивного ионного травления с использованием одной и той же реакционной камеры, входящей в состав кластерной системы.

Для заполнения слоем нелегированного SiO2 малоразмерных (0,5 мкм зазоров в топологическом рельефе с высоким (3,0-5,0) значением AR может быть использована технология газофазного осаждения в плазме высокой плотности (HDP-CVD), полученной с использованием источников различного типа (в т.ч. источников СВЧ-ЭЦР (ECR) и ВЧ-источников с индуктивной связью (ICP)).

Осаждение в плазме высокой плотности характеризуется сочетанием одновременно протекающих процессов осаждения и ионного распыления, проявляющихся, при достаточной толщине осажденного слоя, в эффекте самопланаризации рельефа (в локальных масштабах).

Возможность технологии HDP-CVD управлять по отдельности скоростью осаждения и распыления позволяет контролировать профиль формируемого слоя непосредственно в процессе осаждения, что дает возможность исключить образование пустот в заполняемой области зазора и управлять планарностью поверхности. Устранение "фасетирования" поверхности диэлектрика, осажденного в плазме высокой плотности, достигается осаждением на поверхность HDP-CVD SiO2 достаточно толстого слоя плазмохимического диэлектрика (SiO2, SiOxNy, Si3N4). Осаждение происходит из гидридных источников в отдельном реакторе кластерной системы с последующим сглаживанием (глобальная планаризация методом ХМП). Встроенный в кластерную систему для HOP-CVD/PECVD модуль ионного реактивного/ионного травления может также использоваться для формирования пристеночных структур на боковых поверхностях линий разводки, аналогично случаю кластерной системы на базе процесса SACVD.

Для достижения низкого уровня загрязнения ocaждаемых слоев диэлектриков посторонними примесями и малой плотности привносимых дефектов реакционные камеры для осаждения должны снабжаться средствами in-situ плазмохимической очистки (предпочтительная очистка после каждой обработанной пластины).

Применение для глобальной планаризации слоев диэлектрика процесса ХМП при производстве СБИС с субмикронными проектными нормами требует по окончании полировки проводить жидкостную химическую обработку пластин с целью удаления механически нарушенного слоя, химических загрязнений (в особенности примесей металлов) и частиц полировочной суспензии, а также промывку и сушку пластин.

По условиям работы в чистом помещении целесообразна интеграция в установку ХМП модуля двухсторонней химической обработки/ промывки/ сушки пластин.

2.4.3. Процесс ХМП диэлектрика

Интегрированный технологический процесс глобальной планаризации диэлектрика методом ХМП, выполняемый на оборудовании модульной конструкции, состоит из двух операций: химико-механической полировки и двухсторонней химической обработки пластин.

Диапазон значений толщины диэлектрика, удаляемого в процессе ХМП 500-2000нм. Типовое значение скорости удаления диэлектрика в процессе ХМП: для термического SiO2 - 100-120нм/мин., для плазмохимического SiO2(PE-TEOS) - 150-250 нм/мин.

Неравномерность скорости удаления диэлектрика в процессе ХМП не хуже - ±15,0% (измерение в 49 точках, за исключением области шириной 6 мм у края пластины).

Воспроизводимость скорости удаления диэлектрика в процессе ХМП от пластины к пластине в партии из 25 пластин не хуже - ±10,0%.(измерение в центральной точке).

Высота остаточного рельефа диэлектрика в областях с близким расположением линий разводки (расстояние между соседними линиями 0,5-2,0 мкм) не более – 300 нм. Общая высота остаточного рельефа диэлектрика на пластине не более - 700нм.

Операции, выполняемые в ХМП модуле жидкостной обработки пластин, интегрированном в единую установку:

· удаление механически нарушенного слоя диэлектрика жидкостным травлением;

· двухсторонняя химическая и гидромеханическая обработка пластин для удаления остатков полировочной суспензии и следов поверхностных загрязнений;

· сушка обработанных пластин.

Уровень загрязнения поверхности диэлектрика примесями тяжелых металлов после операций ХМП и химической обработки, см−2, не более 5×1010.

Производительность обработки пластин кремния диаметром 150-200 мм, не менее 30 шт./час (для установки ХМП с тремя позициями обработки с последующей химической обработкой).

Уровень привносимой дефектности не более 0,05 см-2(для частиц размером > 0,20 мкм после химической обработки пластин, прошедших операцию ХМП).

2.5. Нанесение диэлектрических плёнок из жидкой фазы

С уменьшением минимального размера элемента до 0,8 - 1,2 мкм и тем более до 0,5 - 0,7 мкм сложность рельефа металлизации на поверхности кристалла значительно увеличивается. Отношение высоты рельефа к ширине зазора в ряде случаев возрастает до двух и более. При стандартных способах нанесения металлических и диэлектрических слоев на дне и стенках углублений рельефа толщина их получается очень неоднородной, вплоть до возникновения обрыва. Основные способы планаризации рельефа металлизации основаны на заполнении зазоров между проводниками и диэлектриком с последующим устранением диэлектрических выступов над проводниками специальными методами обратного травления или химико-механической полировкой. Однако широко распространенные вакуумные и газофазные методы нанесения диэлектрических пленок в узких и глубоких зазорах могут образовать пустоты, которые в процессе планаризации открываются, создавая щелевой рельеф на поверхности кристалла. Плазменные методы нанесения диэлектрических пленок при наличии электрического смещения на подложку и, в частности, с использованием высокоплотной плазмы решают проблему при наличии регулярного рельефа. Однако в реальных схемах на поверхности кристалла еще до нанесения диэлектрической пленки могут возникать узкие глубокие щели в силу различных технологических отклонений, например, из-за рассовмещения рельефа различных уровней слоев, а также из-за отклонений при локальном травлении (изменение размера элемента, формирование отрицательного клина травления). Из-за непредсказуемости места расположения и формы таких щелей невозможно подобрать режим нанесения диэлектрической пленки с контролируемой (одинаковой на дне щели и на открытой части кристалла) скоростью осаждения.

По мнению специалистов фирмы Applied Materials (другого разработчика такого оборудования этот метод используется при формировании микросхем с минимальными размерами элементов 0,35 мкм и менее. При использовании жидкофазного золь-гель способа нанесения пленки все щели на поверхности кристалла гарантировано заполняются пленкообразующим раствором с последующим образованием сплошной диэлектрической пленки. В зарубежной литературе способ, формирования диэлектрических слоев из растворов на центрифуге называется Spin on Glass (SOG). Однако этим способом нельзя достичь полной планаризации, т.е. плоской поверхности кристалла. При минимальных размерах элементов менее 0,4 - 0,5 мкм, что бы обеспечить необходимую разрешающую способность оптической литографии, необходимо SOG планаризацию совмещать с химико-механической полировкой (ХМП), которая способна создать практически плоскую поверхность кристалла. Область размеров 0,5-0,7 мкм является переходной, когда желательно, но не обязательно использовать ХМП. По заявлению специалистов фирмы APPLIED MATERIALS, разработчиков оборудования для ХМП, в области размеров 0,5 - 0,7 мкм примерно половина производителей микросхем использует ХМП способ планаризации, а половина обходится только применением SOG. Вообще, способ сглаживания и планаризации рельефа поверхности кристалла методом SOG в настоящее время широко используется многими ведущими фирмами - изготовителями кремниевых микросхем.

Один из вариантов маршрута формирования планари-зованной межуровневой изоляции с использованием SOG слоев состоит из следующих основных операций:

- На поверхность проводников Mel осаждается слой диэлектрика PECVD SiO2 толщиной 0,1 мкм. Лучшую конформность имеют плёнки ТЭОС-О3 SiO2 на основе ТЭОС.

- Затем наносится APCVD SiO2, на основе ТЭОС-О, (система Watkins Johnson) толщиной до 1 мкм. При этом узкие зазоры схлопываются, на более широких остается такой же рельеф с вертикальными стенками. Сочетание в одной установке PECVD и APCVD SiO2 увеличивает производительность, уменьшает дефектность.

- Далее наносится один или два слоя SOG с окончательной толщиной 0,3 мкм с отжигом при 700 К.

- ПХТ SOG и APCVD SiO2 на толщину 0,8 мкм с селективностью 0,8.

- Нанесение второго слоя PECVD SiO2 и доведение общей толщины диэлектрика между металлами примерно до 1,0 мкм.

- Далее идут операции по вскрытию контактных окон в изолирующем диэлектрике.

Описанный маршрут формирования планаризованной межуровневой изоляции может быть использован до проектных норм 0,4мкм.

Выбирая соответствующие материалы растворов и используя кластерное оборудование для нанесения пленки вышележащего уровня металла, можно существенно упростить процесс формирования планаризованной межуровневой изоляции. Это достигается за счет отказа от ПХТ SOG (процесс "No etchback"). B этом случае можно ограничиться нанесением на поверхность проводников Ml только одного слоя PECVD SiO2 толщиной до 0,3 мкм, далее формируется слой SOG, который в камере нанесения второго слоя PECVD подвергается дополнительному обезгаживанию.

Чтобы исключить выделение активных газов из открытой прослойки SOG в процессе нанесения M2 производится ее обезгаживание и нанесение первой части слоя M2 при относительно низкой температуре подложки. Далее в следующей камере наносится основная толщина проводящего слоя при повышенной температуре. Этот вариант в настоящее время приобретает все большее применение.

В последнее время появились работы, показывающие значительные достижения в области нанесения диэлектрических пленок из жидкой фазы. Найдены материалы и способы формирования слоев с существенно более низкими значениями диэлектрической постоянной (до 1,5-2,0, а стандартные материалы и способы нанесения диэлектрических слоев позволяют уменьшить это значение только до 3,8-4,0). Необходимость уменьшения диэлектрической постоянной изолирующей пленки диктуется тем, что при минимальных размерах элементов менее 1,0 мкм время задержки сигнала в большей степени начинает зависеть от параметров (RC) межсоединений. Процесс формирования таких пленок связан с использованием процесса термообработки слоев в атмосфере инертного газа высокого давления. По литературным данным, аналогичная термообработка позволяет также полностью заполнять алюминием объем контактных окон между уровнями металлизации.

Толщина формируемых современными методами диэлектрических плёнок из жидкой фазы может достигать 1,0-1,5 мкм без признаков растрескивания. Такие плёнки могут обладать значительно меньшими механическими напряжениями, чем плёнки, сформированные плазмохимическим или газофазным способами, а также они имеют барьерные свойства против миграции щелочных ионов.

2.5.1. Требования к растворам

В Таблице 2.5.1.1 указаны основные требования к растворам при нанесении диэлектричесчких плёнок из жидкой фазы.

Таблица 2.5.1.1 Требования к планаризующим растворам.

Обозначения: SIL - силикатные, MEMOSIL - метилсилоксановые, PHEMOSIL - фенилсилоксановые.

Время жизни свежеприготовленного планаризующего раствора при хранении в холодильнике при температуре -4°С и раствора ФПТ-1-40 при хранении в комнатных условиях в затененных бутылях более 6 месяцев.

2.5.2. Требования к планаризующей и пассивирующей пленке

1. Толщина планаризующих пленок на плоской пластине может варьироваться в пределах 0,1-0,5 мкм. Неравномерность толщины пленки на плоской поверхности пластин диаметром 150 мм менее ± 5 %.

2. Сформированные на поверхностях структур А1 -SiO2 и Si * - SiO2 планаризующие слои не должны растрескиваться и шелушиться.

3. Коэффициент планаризации рельефа металлизации с шириной зазора 0,5 - 0,7 мкм более 0,7, а для зазоров 0,8 - 1,2 мкм - более 0,5.

4. Планаризующие пленки должны выдерживать нанесение слоев в кислород (азот) содержащей плазме.

5. Привнесенная дефектность (размером >0,2 мкм) после нанесения планаризующей или пассивирующей пленок не более 0,05см⁻².

6. Процесс формирования планаризующей пленки, а также процесс формирования пассивирующей пленки изменяет пороговые напряжения МДП транзисторов не более чем на ±5%,

7. Состав планаризующих слоев: силикатные –SlL (SiO₂, БФСС), органосиликатиые (MEMOSIL - метилсилоксановые и PHEMOSIL -фенилсилоксановые).

8. Толщина пассивирующих пленок - 1–2мкм. В процессе технологических обработок, включая и термообработку при температуре 450 К, пленки не растрескиваются и не отслаиваются. Цвет и механические свойства пассивирующей пленки позволяют использовать процесс автоматизированной сборки кристаллов в пластмассовый корпус.

2.6. Процессы ПХТ для технологии ИС с субмикронными проектными нормами

Процессы плазмохимического травления (ПХТ) занимают особое место в технологии СБИС современного поколения. Это связано как с трудоемкостью технологического цикла, так и проблемами, возникающими при реализации проектных норм меньше 0,8мкм. Не случайно эта область технологии является наиболее динамично развивающейся в последние годы. Результаты исследований воплощаются прежде всего совершенствовании оборудования, которое определяет современный уровень технологии ПХТ.

В настоящее время выпускаемое оборудованием ПХТ можно разделить на несколько групп:

- для травления поликремния, монокремния, полицидов тугоплавких металлов и нитрида кремния;

- для травления металлов, прежде всего, алюминия и сплавов в сочетании с антиотражающими покрытиями;

- для травления оксидов кремния, включая двуокись и фосфороборосиликатное стекло;

- для травления фоторезистивной маски.

В качестве химических реагентов используются газовые смеси:

-для алюминия и его сплавов с кремнием и медью

HCl/Cl₂/N₂ - а также в сочетании с антиотражающими покрытиями,

Сl₂/НВг/Не/О₂ - для травления поликремния,

Cl₂/HBr/SF₆/O₂ - для травления полицидов,

NF3 - для изотропного травления оксидов.

Работа с данными газами предполагает особую конструкцию реакторов и вакуумных систем