Технологии субмикронных структур микроэлектроники

УДК 621.382.049.77

Технологии субмикронных структур микроэлектроники / А. П. Достанко 

[и др.] ; под ред. акад. А. П. Достанко. – Минск : Беларуская навука, 2018. –  
270 с. – ISBN 978-985-08-2298-7.

Рассмотрены и обобщены результаты исследований и разработок в области технологии  

и оборудования для производства и диагностики субмикронных структур полупроводниковой микроэлектроники.

Предназначена для инженерно-технических работников предприятий электронной и дру
гих отраслей промышленности, специалистов научно-исследовательских институтов, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов технических вузов.

Табл.: 39. Ил.: 214. Библиогр.: 361 назв.

Рекомендовано к изданию Советом БГУИР, протокол № 1 от 15.09.2017.

А в т о р ы:

А. П. Достанко, С. В. Бордусов, Д. А. Голосов, С. М. Завадский, В. В. Колос, А. Н. Купо,  

В. Л. Ланин, М. С. Лушакова, С. И. Мадвейко, С. Н. Мельников, А. Н. Петлицкий,  

И. Б. Петухов, В. А. Солодуха, Е. В. Телеш

Р е ц е н з е н т ы:

академик НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор В. А. Лабунов,

член-корреспондент НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор Ф. И. Пантелеенко

ISBN 978-985-08-2298-7 
 
           © Оформление. РУП «Издательский дом  

 
 
 
 
 
 
 «Беларуская навука», 2018

ВВЕДЕНИЕ

Применение субмикронных сверхбольших интегральных схем (СБИС) 

в микропроцессорной технике позволяет существенно увеличить рабочие частоты компьютеров. При минимальных размерах элементов 0,18 мкм тактовая 
частота составляет 1,5 ГГц, а при размерах 0,13 мкм – более 2 ГГц. Проектирование и производство субмикронных СБИС связано с решением многих 
технических и экономических проблем. Прежде всего, это проблемы субми- 
кронной технологии. При переходе к размерам элементов диапазона 1,0–0,1 мкм 
требуется смена практически всего технологического оборудования и использование новых процессов. Стоимость комплекта технологического оборудования для производства субмикронных СБИС на пластинах диаметра 300 мм 
чрезвычайно высока. При проектировании и производстве субмикронных 
СБИС приходится учитывать многие физические процессы и явления, которые были несущественными при больших размерах элементов. 

Новые задачи и высокие требования субмикронной микроэлектроники 

стимулируют поиск новых способов направленного плазменного и ионно-лу- 
чевого воздействия на обрабатываемые материалы. Ввиду специфических 
особенностей плазменного сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда обработка 
материалов неравновесной плазмой находит все более широкое применение 
в промышленных технологиях. СВЧ энергия применяется в производстве микроструктур в процессах плазменного травления, очистки, модификации поверхностных слоев материалов, а также нанесения на их поверхности пленок 
других материалов.

Актуальной проблемой является получение субмикронных гетерострук
тур «металл–арсенид галлия», которые могли бы обеспечить стабильные  
и воспроизводимые характеристики приборов после выдержки при высоких 
температурах до 1173 К. Для этого предложено использовать дибориды тугоплавких переходных металлов для формирования контактного слоя методом 
ионно-лучевого распыления.

Для формирования контактных площадок и проводящих структур суб
микронных размеров предложена лазерная активация процессов гальванического осаждения функциональных покрытий. Варьируя в широких пределах 
параметры лазерного излучения можно получать покрытия, разнообразные 
по стехиометрическому составу, структуре и морфологии.

Сборка субмикронных СБИС в поверхностно-монтируемых корпусах типа 

Ball Grid Array (BGA) позволяет увеличить плотность компоновки элементов 
и значительно повысить быстродействие электронной схемы за счет сокращения длины выводов. Для пайки корпусов BGA на контактных площадках платы необходимо сформировать матрицу шариковых выводов из бессвинцовых 
припоев. Однако замена свинецсодержащих припоев бессвинцовыми сплавами вызвала проблемы в области металловедения, связанных с образованием пластинчатых интерметаллидов, оказывающих негативное воздействие 
на усталостные процессы в соединениях.

Создание субмикронных СБИС позволило перейти к производству 2,5 и 3D 

структур в многокристальных модулях. Одним из способов достижения высокой воспроизводимости сварных соединений при сборке приборов с повышенной плотностью монтажа и использованием золотой проволоки уменьшенного 
диаметра ≤25 мкм является применение ультразвуковых систем повышенной 
частоты ≥100 кГц. 

Методы контроля и диагностики субмикронных структур должны учиты
вать диффракционные ограничения, сложности контактных измерений пара- 
метров элементов, наличие дополнительных механизмов рассеяния зарядов  
в приповерхностных слоях, ухудшение параметров, вызванное неконтроли- 
руемым загрязнением кремниевых структур рекомбинационно-активными  
примесями, что является актуальной проблемой в производстве субмикрон- 
ных СБИС.

В монографии обобщены результаты научных исследований и практиче
ских разработок авторов из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники, Гомельского государственного университета 
им. Ф. Скорины, ОАО «ПЛАНАР-СО», ОАО «ИНТЕГРАЛ».

Приведенные научные и практические результаты получены при выпол
нении государственных программ научных исследований: «Фотоника, опто-  
и микроэлектроника», подпрограмма «Микро- и наноэлектроника», «Физическое материаловедение, новые материалы и технологии», подпрограммы «Плазменные и пучковые технологии», «Материалы в технике» в 2016–2017 гг.

Глава 1

СВЧ ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ СОЗДАНИИ  

МИКРО- И НАНОСТРУКТУР  

ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

1.1. Процессы удаления материала с поверхности твердого тела

1.1.1. Активирование поверхности твердых тел 

и плазменная очистка

Перед проведением ряда технологических процессов (например, высоко
температурное окисление, первая фотолитография, нанесение металлической 
либо диэлектрической пленки и т. д.) следует провести очистку подложек 
для удаления как органических, так и неорганических загрязнений в виде ино- 
родных атомов и молекул, появляющихся на предыдущих этапах технологических процессов или во время переноса подложек с одной технологической 
линии на другую. Если такие загрязнения не удалить, то возможно ухудшение электрических характеристик приборов, а также понижение надежности 
интегральных схем (ИС).

Плазменная очистка поверхности подложек происходит вследствие хими
ческого взаимодействия загрязнений с ионами и радикалами активных газов 
с образованием летучих соединений, которые удаляются из реакционного 
объема в процессе откачки. Очищенные и активированные поверхности подложек обладают связью высокой прочности с наносимыми пленками [1]. Травление и очистка пластин перед осаждением пленок в едином вакуумном цикле позволяют уменьшить уровень загрязнений, получить хорошую текстуру, 
адгезию, микроструктуру и снизить электромиграцию в пленках.

Основными компонентами газовой смеси для очистки поверхности под
ложки от органических загрязнений с использованием сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда является кислород с небольшими (до 1 об. %) добавками аргона, азота, водорода или гелия. Добавки H2, N2, Ar, He катализируют процессы диссоциации молекул кислорода в плазме до атомарного состояния и тем 
самым ускоряют процесс очистки. Плазменная обработка используется также 
с целью удаления собственного оксида, образующегося на чистой поверхности кремния, в качестве предварительной очистки перед нанесением пленочных слоев различных материалов и составов. В этом случае используется H2 
с добавками H2O и NF3. Как правило, процесс реализуется способом травления «вне зоны разряда» [2]. Это позволяет свести к минимуму поверхностные 
повреждения и переосаждение. 

Низкотемпературная очистка дает возможность получить чистую поверх
ность без каких-либо дефектов. Установлено [3], что в случае плазменной 
очистки, проводимой в режиме реактивной ионно-лучевой обработки, имеет

ся критическая доза облучения ионами водорода, выше которой на очищенной 
поверхности начинают наблюдаться кристаллические дефекты. Они впоследствии могут сказаться на качестве наносимых поверх эпитаксиальных слоев. 
Кроме того, определенные режимы низкотемпературной очистки в водородной плазме с источником, работающим в режиме электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), способствуют процессу образования шероховатости поверхности кремниевой пластины. По данным исследований [4] установлено, 
что шероховатость поверхности, в частности пластины Si (100), в сильной степени связана с зародышеобразованием и ростом пластинчатых дефектов (100) 
в подповерхностной области кремния: травление протекает в основном в местах пересечения этих дефектов и поверхности кремния. Уровень содержания 
этих дефектов и, следовательно, степень шероховатости поверхности кремниевой пластины можно контролировать, управляя величинами потока ионов 
водорода и температурой подложки в интервале 170–450 °С. Разработанный  
и исследованный в [5] процесс очистки in situ контактных отверстий размером 
<0,5 мкм в схемах динамических запоминающих устройств с произвольной 
выборкой с использованием плазмы Н2, Ar и их смесей, возбуждаемой от источника ЭЦР, показал, что плазма высокой плотности, но с малой энергией 
ионов вносит минимальные повреждения в поверхностный слой, а благодаря 
высокой направленности эффективно удаляет поверхностные примеси из контактных отверстий, что обеспечивает получение низкого и стабильного контактного сопротивления. Кроме того, при такой очистке создается форма профиля контакта, способствующая заполнению отверстия алюминием.

Подготовка поверхности перед нанесением пленки для улучшения адге
зии и управления составом границы раздела в режиме ионно-лучевой очистки проводится с использованием инертных газов в диапазоне энергий ионов  
от нескольких десятков до нескольких сотен электронвольт. СВЧ ионные источники, обеспечивающие большую плотность тока ионного пучка и сравнительно низкие энергии ионов, хорошо подходят для подготовки поверхности 
полимеров и других синтетических материалов перед нанесением металлов. 
Эти процессы могут также проводиться с применением активных газов, таких 
как кислород или фторуглероды.

Еще одной перспективной областью применения ЭЦР источников являет
ся очистка поверхности полупроводниковой пластины перед процессом эпитаксии от примесей углерода и оксидов. Если оксид можно удалить высокотемпературным отжигом (800–1000 °С), то для удаления углерода приходится 
применять методы ионно-плазменного распыления, которые, однако, вносят 
радиационные нарушения, устраняемые также высокотемпературным отжигом (700 °С). Обработка в ЭЦР источнике в плазме водорода позволяет легко 
удалить углерод и оксид при температуре не выше 400 °С [6].

Процесс СВЧ плазмохимической обработки весьма перспективен для меж- 

операционной очистки технологических и плазменных камер установок. 
В [7; 8] предлагаются методы высокоэффективной СВЧ плазменной очистки 

технологического оборудования от остатков продуктов плазменных реакций. 
В частности, это может быть двухстадийный процесс [7]. На первой стадии 
производятся напуск в реакционную камеру из системы газоснабжения плазмообразующего газа и возбуждение плазмы под действием СВЧ энергии. 
Химически активные радикалы, образующиеся в плазме разряда, взаимодействуют с остатками загрязнений на внутренней поверхности технологической 
камеры и оснастки, на второй стадии к реакционно-способному газу добавляется инертный газ, после чего вновь возбуждается газовый разряд. Инертный 
газ, кроме того, может продуваться через технологическую камеру перед первой стадией с целью удаления осевших частиц, не связанных с конструктивными элементами. Реакционно-способным (реактивным) газом желательно 
выбирать NF3, однако могут использоваться и другие фторсодержащие газы, 
такие как CF4, SF6 и др. Более того, в качестве реактивных газов могут быть 
использованы вместо фторсодержащих газов хлор- или другие галогенсодержащие газы.

1.1.2. Плазменное травление в вакууме

Газовая плазма СВЧ разряда применяется для реализации практически 

всех процессов вакуумного газоплазменного травления, используемых в производстве кремниевых микроэлектронных приборов (табл. 1.1) [9; 10].

Т а б л и ц а  1.1.  Основные процессы вакуумного газоплазменного травления  

в производстве кремниевых микроприборов [9; 10]

Травление
Функциональный слой  
(травимый материал)

Материал подслоя  

(подложки)

Материал  

маски

Затворов
Поликремний, тугоплавкие  

металлы, их силициды  

и полициды

SiO2
Фоторезист 

(ФР)

Канавок
Монокристаллический  

кремний

Моно-Si
ФР + SiO2

Защитного слоя
Нитрид кремния
SiO2
ФР

Межслойной изоляции 
для планаризации

Система фосфорносили- 
катное стекло (ФСС)–SiO2

ФСС
ФР

Контактных окон  
различной глубины

Система ФСС–SiO2
Si, тугоплавкие  

металлы, их силициды,  

моно-Si, сплавы Аl

ФР

Планаризирующих слоев 
маскирующих покрытий

Фоторезисты, полиимид
Si, система ФСС–SiO2, 

сплавы Аl

SiO2, Si3N4, 

ФСС, металлы

Металлизация  
на Si подложке

Аl/Si; Al/Si/Cu; Al/Si/Ti;  
Al/Si + TiW; AlN + Аl/Si

ФСС
ФР

Плазма СВЧ разряда позволяет реализовать все виды физико-химического 

взаимодействия энергетических и химически активных частиц с поверхностными атомами или молекулами обрабатываемого материала. 

Реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ). В процессах РИЛТ обраба
тываемый материал вынесен из зоны плазмы разряда, находится в вакууме 
и подвергается воздействию пучка ускоренных ионов химически активного 
газа, которые в процессе перезарядки, диссоциации и нейтрализации в пучке 
и на поверхности материала могут образовывать реакционно-способные травящие частицы и производить травление.

Отличительной особенностью механизма РИЛТ по сравнению с другими 

процессами вакуумно-плазменного травления является то, что в нем используется как физическое, так и химическое взаимодействие ускоренных ионов  
с атомами поверхностных слоев обрабатываемого материала. По сравнению 
с ИЛТ при этом значительно повышается скорость травления материала, а в некоторых случаях также степень использования рабочего газа.

Процессы РИЛТ с применением плазмы СВЧ разряда реализуются в га
зоразрядных системах, использующих явление электронного циклотронного 
резонанса [11]. К настоящему времени имеются сообщения о травлении с помощью этих газоразрядных систем практически всех материалов микроэлектроники в широком наборе газов и их смесей (табл. 1.2).

Т а б л и ц а  1.2.  Травление в СВЧ ЭЦР реакторах [11–15]

Материал
Мощность, 

Вт

Давление,  

Па
Газ
Потенциал  
смещения, В

Скорость 
травления, 

нм/мин

Анизо- 
тропия

Селектив- 

ность

Si
700
2,6 · 10–2–
1,2 · 10–1

I2 + SF6
–75

(13,56 МГц)

0–400
1–0,75
5–10 (Si/SiO2)

700
2,6 · 10–2–
1,2 · 10–1

Br2 + SF6
–75

(13,56 МГц)

50–1500
1–0,5
7–10 (Si/SiO2)

700
0,13
Cl2 + SF6
–75

(13,56 МГц)

200–1500
1–0,5
10–12 (Si/SiO2)

700
2,6 · 10–2–
1,2 · 10–1

Cl2 + Br2
–75

(13,56 МГц)

0–200
~1
до 28 (Si/SiO2)

300
5,0 · 10–2–
2,0 · 10–1

SF6 + 
CCl4

–100…+25  
(постоянное 
напряжение)

30–90
–
–

300
5,0 · 10–2–
2,0 · 10–1

SF6 + Ar
–100…+25  
(постоянное 
напряжение)

60–120
–
~12 (Si/SiO2)

Поли-Si
200–1000
6,5 · 10–2
Cl2
–10…–20
20–50
–

300
1,3 · 10–1
Cl2
–150…–200
85
Высокая
18 

(поли-Si/SiO2)

1000
6,5 · 10–2–
4,0 · 10–1

Cl2
–
180–320
0,95
100–260 

(поли-Si/SiO2)

SiO2
60
6,7· 10–2
CF4
0–125 (амплитуда 800 кГц)

10–30
–
1,4 (SiO2/Si)

60
6,7· 10–2
С3F8
0–125 (амплитуда 800 кГц)

0–40
–
4,0 (SiO2/Si)

Материал
Мощность, 

Вт

Давление,  

Па
Газ
Потенциал  
смещения, В

Скорость 
травления, 

нм/мин

Анизо- 
тропия

Селектив- 

ность

SiO2
700
2,6 · 10–2–
1,3 · 10–1

SF6 + I2, 
(Br2, Cl2)

–75 

(13,56 МГц)

5–150
–
0,1–0,2 (SiO2/Si)

1400
1,3 · 10–1– 

1,4

С3F8

C3F8 + H2
C3F8 + He

0–100

(13,56 МГц)

50–350
0–30

260–370

Высокая

–
–

1,3–9,0 (SiO2/Si)
1,0–3,0 (SiO2/Si)
1,0–2,1 (SiO2/Si)

W
600
3,0 · 10–3–
3,0 · 10–2

SF6
–70 (постоян
ное напря- 

жение)

0–50
~1
–

Фото- 
резист

400–1000
5,3 · 10–2–
6,7 · 10–1

О2
0…–300
200–900
–
–

Поли- 
имид

400–1000
5,3 · 10–2–
6,7 · 10–1

О2
0…–300
50–200
–
–

1400–
1500

1,5 · 10–1– 

2,0

O2 + CF4
0 < –70

(13,56 МГц)

100–1500 Высокая
Высокая  
(PI/Si3N4)
Высокая  

(PI/Si)

InP
250
1,3 · 10–1
CH4 +  
H2 + Ar

0…–200
5–35
–
–

50–300
1,3 · 10–1– 

2,6

CH4 +  
H2 + Ar

–88…–329
10–100
–
–

GaAs
50–300
1,3 · 10–1– 

2,6

CCl2F2 + 

O2

–88…–329
10–80
–
–

400
1,3 · 10–1
CH4 +  
H2 + Ar

0…–40
25
–
–

Al–Si–Cu
–
1,5–2,6
Cl2 + 
BCl3

ВЧ-смещение 650–850
–
2,5–3,1  

(Al/резист)

Используя возможность изменения угла падения пучка, с помощью РИЛТ 

удалось создать в диоксиде кремния решетки косоугольного профиля с субмикронным периодом. Показана возможность травления Si, Mo, Ti и сплавов Аl.  
Применение РИЛТ при обработке материалов типа AIIIBV позволило, опираясь  
на расширенные возможности метода, получить рельеф с профилем, не достижимым другими методами. Сопряженная с РИЛТ техника обработки,  
названная травлением, стимулированным ионным пучком, использована при 
изготовлении приборов на GaAs [12].

Типовые технологические режимы обработки: степень предварительного 

вакуума не хуже 7 · 10–4 Па, рабочее давление порядка 5 · 10–2 Па, плотность 
ионного тока не менее 5 мА/см2, энергия ионов в процессе травления 20–40 эВ. 
Такие режимы дают возможность осуществлять анизотропное травление с нулевым подтравом под маску с высокой селективностью травления материалов.

Уникальные характеристики этого метода, такие как независимое регули
рование параметров процесса, возможность изменения угла падения пучка, 

Окончание табл. 1.2

совместимость с аналитической аппаратурой для изучения поверхности, позволяют использовать его для травления новых структур, материалов, плохо 
поддающихся обработке другими методами, а также для достижения лучшего 
понимания механизмов всех ионно-стимулированных процессов травления.

Реактивное ионно-плазменное травление (РИПТ). При проведении про
цессов РИПТ обрабатываемые изделия находятся в контакте с плазмой СВЧ 
разряда и размещаются, как правило, на электроде, подключенном к источнику СВЧ [16], ВЧ [17; 18], НЧ [19] либо постоянного [20] напряжения. Возможно также их расположение в зоне разряда на заземленном подложкодержателе [21]. Удаление материала происходит как за счет физического распыления 
ускоренными ионами химически активных газов, так и в результате химических реакций между свободными атомами и радикалами, образующимися 
в газоразрядной плазме, и поверхностными атомами подвергаемого травлению материала. Газоразрядная плазма стимулирует процессы, происходящие 
и в газовой фазе, и на поверхности твердого тела. При этом физическое распыление активирует поверхность материала, повышая скорость химических 
реакций, которые в свою очередь ослабляют химические связи поверхностных атомов, увеличивая тем самым скорость их физического распыления. Эти 
процессы отличаются высокой степенью равномерности обработки по пластине – 96–97 %, более высокими по сравнению с обработкой в плазме ВЧ либо 
НЧ разряда скоростями травления, возможностью селективного управления 
ходом процесса за счет изменения параметров сигнала, подаваемого на подложкодержатель-электрод.

Достоинством РИПТ также является возможность точного и анизотропно
го воспроизведения элементов с малыми размерами для создания плотноупакованных структур.

Однако на вертикальных стенках рельефа, обычно получающихся при 

РИПТ, толщина металлических пленок, нанесенных испарением или распылением, значительно уменьшается (на 50 % и более). Кроме того, появляется возможность увеличения напряжений в металле и его растрескивания на прямых 
углах при входе в контактное окно и на его дне. Поэтому профиль контактного окна желательно иметь наклонным. Оптимальной представляется величина 60–70°, выбранная исходя из электрических характеристик и соображений 
экономного использования поверхности, а сглаженные края в верхней части 
и у дна окна позволяют уменьшить проблемы, связанные с напряжениями  
и растрескиванием металлических пленок [22].

Ионно-лучевое травление (ИЛТ). Удаление поверхностных слоев при ИЛТ 

осуществляется в результате физического распыления энергетическими ионами инертных газов или ионами, которые химически не реагируют с обрабатываемым материалом. При ИЛТ поверхность обрабатываемого материала не 
контактирует с плазмой и последняя используется только в качестве источника 
ионов, осуществляющих процесс травления.