ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАСКИ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНОЙ ЛИТОГРАФИИ

Научная статья Original article УДК 621.382.002

DOI 10.55186/27131424 2023 5 5 1

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАСКИ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНОЙ ЛИТОГРАФИИ

PRODUCTION OF A SILICON NITRIDE MASK FOR USE IN LIFT-OFF TECHNOLOGY

Осипов Артём Арменакович, кандидат технических наук, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Россия, г. Санкт-Петербург

Каракчиев Сергей Валерьевич, аспирант, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Россия, г. Санкт-Петербург

Каракчиева Анна Александровна, аспирант, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Россия, г. Санкт-Петербург

Osipov Artem Armenakovich, candidate of technical sciences, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University», Russia, St. Petersburg

Karakchiev Sergey Valerievich, graduate student, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University», Russia, St. Petersburg

Karakchieva Anna Alexandrovna, graduate student, Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education «Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University», Russia, St. Petersburg

Аннотация

В работе проведена серия экспериментов по осаждению нитрида кремния (SiN) методом PECVD. Был получен нитрид кремния с низкой скоростью травления. Также путем добавления в основную газовую смесь, состоящую из моносилана (SiH4) и азота (N2) различного количество аммиака (NH3) были получены образцы с высокой скоростью травления. Толщины полученных образцов были определены с помощью эллипсометрии. Проанализирована зависимость скорости травления пленок от добавок в них аммиака. Была изготовлена маска из комбинации исследуемых слоев нитрида кремния. Определен профиль изготовленной маски и пригодность его использования в технологии изготовления металлизации.

S u m m a r y

A series of experiments on the deposition of silicon nitride (SiN) by the PECVD method has been carried out in this work. Silicon nitride with a low etching rate was obtained. Also, by adding a different amount of ammonia (NH3) to the main gas mixture consisting of monosilane (SiH4) and nitrogen (N2), samples with a high etching rate were obtained. The thicknesses of the obtained samples was determined using ellipsometry. The dependence of the etching rate of films on the additives of ammonia in them was analyzed. A mask was made from combination of researched layers of silicon nitride. The profile of the manufactured mask was defined and the suitability of its use in the metallization manufacturing technology was determined.

Ключевые слова: маска для литографии, нитрид кремния, SiN, взрывная технология, профиль маки, буферный травитель/

Keywords: lithography mask, silicon nitride, SiN, lift-off technology, maki profile, buffer etcher.

Введение

Литография является одной из основных и неотъемлемых операций при производстве электронных компонентов. Литографией называется процесс формирования на поверхности подложки (или основания изделия) элементов приборов микроэлектроники с помощью чувствительных к высокоэнергетическому излучению (ультрафиолетовому свету, электронам, ионам, рентгеновским лучам) покрытий, способных воспроизводить заданное взаимное расположение и конфигурацию этих элементов [1].

Данная работа описывает процесс создания диэлектрической маски из нитрида кремния пригодной для использования в технологии взрывной литографии. Взрывная литография представляет собой процесс формирования полимерной резистивной маски, удаляемой со слоем активного материала сформированного на ней после нанесения слоя материала (металла или полупроводника) по всей поверхности подложки с нанесенной резистивной маской, путем растворения резиста под слоем активного материала и образованием рабочего рисунка из активного материала на поверхности подложки [2].

При взрывной литографии резистная маска служит для того чтобы отделить нужный металлический рисунок от лишнего материла (Рисунок 1) [3]. Для качественного «взрыва» необходимо, чтобы толщина резистивной маски вдвое превышала толщину металлической пленки. Ненужный металл удаляется при растворении или набухании (и потери адгезии) лежащего под ним резиста. В процессе экспонирования стремятся минимизировать влияние ухода размеров при изотропном травлении подбором размера рисунка при

осаждении. Поскольку осаждение многослойных металлических покрытий требует подбора селективных травителей и учета разрушения резиста, взрывная литография является ключевым процессом при прорисовке металлизации. Уже давно взрывная литография используется для обращения изображения и восстановления фотошаблонов из хрома [2].

Рисунок 1. Схематичное изображение процесса взрывной

фотолитографии [2] Однако большинство позитивных резистов являются термопластичными (при нагревании переходят из твердого состояния в тягучее) Тд = 50 — 1250С, поэтому осаждение металла на однослойный резист должно проводится при температурах ниже 150оС [2]. Поэтому осаждение диэлектриков и других материалов при повышенной температуре можно проводить, если вместо полимерных органических резистов использовать неорганические или селективно удаляемые при взрывной литографии слои.

Из всего выше сказанного следует, что резистивные маски не пригодны для высокотемпературных процессов нанесения металлизации. Поэтому для этих целей необходимо использовать материалы с более высокой термоплатичностью [5].

На данный момент высокотемпературной взрывной литографии, наиболее подходящими материалами являются Si3N4 и SiO2, так как они используются и в других технологических операциях при производстве полупроводниковых приборов. Оксид кремния наиболее изучен и используется полупроводниковой промышленности очень давно. Так как он обладает меньшей химической и электрической стойкостью, чем нитрид кремния, то в качестве материала для основы многослойного покрытия будет использоваться последний. В качестве растворителя (травителя) будет использоваться буферный травитель [4].

Цель работы

Получение маски из нитрида кремния пригодной для использования в технологии взрывной литографии. Профиль получаемой маски должен соответствовать профилю маски, представленному на рисунке 1.

Проведение эксперимента

Для реализации поставленной цели необходимо получить слои нитрида кремния с разной скоростью травления. Нижний слой будет иметь высокую скорость травления в буферном травителе, а верхний - низкую.

Осаждения пленок нитрида кремния проводилось в установке PECVD Oxford PlasmaLab80 plus. В качестве реагентов использовались следующие газы: моносилан (SiH4), аммиак (NH3) и азот (N2).

В качестве верхнего слоя был выбран параметры осаждения которого представлены в таблице 1. Скорость травления полученного образца составила 2,2 нм/с.

Таблица 1. Режимы осаждения пленок нитрида кремния с низкой скоростью травления в буферном травителе

№ Мощность, W Расходы, sccm Давление, mTorr Температура,

SiH4 N2 °C

1 300 60 900 400 300

Для получения слоем с высокой скоростью травления была проведена серия экспериментов с добавлением к режиму таблицы 1 разного количества аммиака (Таблица 2). Скорость травления для каждого из образцов составила: 1-5,5 нм/с, 2- 8,4 нм/с, 3-10,5 нм/с, 4-11,9 нм/с, 5-16,7 нм/с. Как видно из рисунка 2, скорость травления растет с увеличением добавки аммиака в газовую смесь. Это обуславливается тем, что в пленках нитрида кремния увеличивается содержание азота связанного с водородом [6].

Таблица 2. Режимы осаждения пленок нитрида кремния с высокой скоростью травления в буферном травителе

№ Мощность Расходы, sccm Давлени Температура, °C

, W SiH4 N2 NH3 е, mTorr

1 10

2 20

3 300 60 900 30 400 300

4 40

5 50

Зависимость скорости травления нитрида кремния от расхода аммиака

20

;15

5 X

ш

10

m го о.

£ 5

I-

u О

6 0 S£

и

10 20 30 40

Расход аммиака, sccm

50

60

Рисунок 2. График зависимости скорости травления нитрида кремния от

расхода аммиака

0

Для получения маски и обратным профилем была проведена серия экспериментов, в которой были осаждены последовательно несколько слоев пленок из нитрида кремния с различной скоростью травления в буферном травителе.

Для первого эксперимента на пластину AsGa [111] диаметром 40 мм, был осажден нитрид кремния состоящий из двух слоев: нижний слой толщиной 100 нм по режиму 5 таблицы 2 и верхний слой толщиной 100 нм по режиму 1 таблицы 1. Перед осаждением образец был обработан в диметилформамиде и ацетоне, а затем в кислородной плазме.

После осаждения на пластине с нитридом кремния была изготовлена фоторезистивная маска под травление диэлектрика. В качестве маски использовали позитивный фоторезит марки 4-04 мВ. После проявления и чистки поверхности пластины в кислородной плазме, резистивную маску подвергали термообработке на 120°С в течении 40 минут. Остывшую пластину помещали в буферный травитель и травили до полного удаления нитрида кремния из предварительно полученных окон. После чего фоторезистивная маска удалялась. Для проверки качества маски на поверхность образца был напылен титан (рисунок 3).

100 нм

Рисунок 3. SEM снимок скола двухслойной диэлектрической маски из нитрида кремния для взрывной литографии

Как видно из рисунка 2. профиль маски соответствует профилю резистивной маски используемой при взрывной фотолитографии. на снимке четко виден разрыв металлизации между диэлектриком и рабочей поверхностью пластины. Таким образом, данную маску также можно использовать для взрывной технологии. Выводы

В ходе работы была проведена серия экспериментов по плазмохимическому осаждению нитрида кремния. Для этого в исходный состав газовой смеси было добавлено различное количество аммиака. Была исследована зависимость скорости травления в буферном травителе полуденных пленок. С увеличением количества аммиака в исходной газовой смеси скорость травления плёнок нитрида кремния увеличивается.

Была изготовлена двухслойная маска из нитрида кремния. Был проведен контроль профиля полученной маски, который показал что данная маска пригодна для использования в технологии взрывной литографии.

Дальнейшим этапом исследование будет получение металлизации с использованием полученной диэлектрической маской.

Список литературы

1. Макарчук В.В., Родионов И.А., Цветков Ю.Б. Методы литографии в наноинженерии. - 2011.

2. Моро У. Микролитография//в 2-х частях. Пер. С англ. - 1980.

3. Кручинин Д. Ю., Фарафонтова Е. П. Фотолитографические технологии в производстве оптических деталей: учебное пособие. - 2014.

4. Боброва, Ю. С. Контактная фотолитография и травление тонкопленочных структур: практикум / Ю. С. Боброва, Ю. Б. Цветков. - Москва: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2020. - 43 с.

5. Танака М. и др. Подавление проникновения бора, с помощью пленок нитрида кремния, не содержащих БШ, образованных тетрахлорсиланом и

аммиаком //ieee transactions on electron devices. - 2002. - т. 49. - №. 9. - с. 1526-1531.

6. Гулер И. Оптические и структурные характеристики тонких пленок нитрида кремния, нанесенных методом pecvd // Материаловедение и инженерия: б. - 2019. - т. 246. - с. 21-26.

Literature

1. Makarchuk V.V., Rodionov I.A., Tsvetkov Yu.B. Methods of lithography in nanoengineering. - 2011.

2. Moro U. Microlithography//in 2 parts. Trans. From English - 1980.

3. Kruchinin D. Yu., Farafontova E. P. Photolithographic technologies in the production of optical parts: a textbook. - 2014.

4. Bobrova, Yu. S. Contact photolithography and etching of thin-film structures: practicum / Yu. S. Bobrova, Yu. B. Tsvetkov. - Moscow: Publishing House of Bauman Moscow State Technical University, 2020. - 43 p.

5. Tanaka M. Et al. Suppression of sin-induced boron penetration by using sih-free silicon nitride films formed by tetrachlorosilane and ammonia //ieee transactions on electron devices. - 2002. - т. 49. - №. 9. - с. 1526-1531.

6. Guler I. Optical and structural characterization of silicon nitride thin films deposited by pecvd //materials science and engineering: b. - 2019. - т. 246. -с. 21-26.

© Осипов А.А., Каракчиев С.В., Каракчиева А.А., 2023 Международный журнал прикладных наук и технологий "Integral" №5/2023.

Для цитирования: Осипов А.А., Каракчиев С.В., Каракчиева А.А. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МАСКИ ИЗ НИТРИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ВЗРЫВНОЙ ЛИТОГРАФИИ// Международный журнал прикладных наук и технологий "Integral" №5/2023.