Исследование качества фотолитографии в слоях поликристаллического кремния при формировании затворов КМОП ИС

ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ФОТОЛИТОГРАФИИ В СЛОЯХ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ

ЗАТВОРОВ КМОП ИС А.С. Бабков, Н.В. Лопатнёва Научный руководитель - д.т.н., профессор А.М. Скворцов

В работе приведено исследование распределения длины поликремниевого затвора МОП транзисторов по площади пластин с готовыми КМОП ИС. Рассмотрено влияние различных методов травления, а также степени лигирования пленки поликремния на изменение геометрии затвора.

Введение

Фотолитография - важнейший технологический процесс при формировании ИС, существенно влияющий на процент выхода годных микросхем. При изготовлении КМОП ИС 590 серии процесс фотолитографии применяется 11 раз, что, естественно, во многом определяет выход годных микросхем в серийном производстве. Одним из таких процессов является формирование геометрии поликремниевого затвора n-канальных и p-канальных МОП транзисторов указанной серии.

При формировании затворов МОП-транзисторов используются пленки SiO2 и Si3N4. В нашем случае для подзатворного окисла микросхем 590 серии используются пленки SiO2, толщина которых составляет 1200 Ä. Окисление подложек производят либо в сухом, либо в увлажненном кислороде. Достоинствами сухого окисления являются изначально низкий встроенный заряд и меньшая пористость. Недостаток заключается в том, что при таком окислении требуются высокая температура (от 1050 °С и выше) а также высокое качество отмывки пластин. Для улучшения электрофизических свойств границы раздела структуры Si-SiO2 в окислитель добавляют HCl, но от этого оборудование быстро корродирует, снижается радиационная стойкость затворной композиции.

К достоинствам термического окисления во влажном кислороде можно отнести то, что здесь используются более низкие температуры (от 800 до 1000 °С), а также получаются более радиационно-стойкие затворные композиции. Недостатками метода являются увеличенные по сравнению с сухим окислением встроенный заряд и пористость.

После формирования на поверхности подложки затворного окисла и осаждения на окисел пленки поликристаллического кремния (ПК) проводится процесс фотолитографии, в результате которого формируются затворы МОП транзисторов и первый слой коммутации. Для травления ПК используется следующий состав травителя в объемных процентах: азотная кислота HNO3 - 50 %, дионизованная вода - 49,7 %, плавиковая кислота HF - 0,3 %.

В настоящей работе исследовалась зависимость геометрии поликремниевого затвора МОП-транзистора от различных способов травления ПК и степени его легирования.

Экспериментальная часть

На первом этапе работы ставилась задача исследовать распределение длин затворов n-канальных и p-канальных МОП транзисторов на кремниевых подложках с готовыми, разбракованными по функционированию КМОП ИС 590 серии, и установить корреляцию между длиной затвора и работоспособностью микросхем. На втором этапе требовалось установить причины растрава затворов МОП-транзисторов и выработать рекомендации по улучшению качества травления поликремния.

На рис. 1 приведена фотография подложки с готовыми микросхемами. Кристаллы с забракованными микросхемами помечены маркером. Как видно из рис. 1, большая часть годных микросхем расположена в центре пластины. На каждой пластине измеря-

лась длина поликремниевых затворов п-канальных и р-канальных МОП транзисторов в каждом третьем кристалле в ряду во всех рядах.

Рис. 1. Фотография пластины с готовыми микросхемами после 100 % контроля на функционирование

Измерение затворов проводилось на 3-х пластинах, отобранных из разных партий, для получения более достоверных результатов. Результаты измерений заносились в таблицы, а затем строились распределения размеров затворов отдельно по каждой пластине.

На рис. 2 приведена схема сечения участка кристалла с годной микросхемой, на котором располагается два взаимодополняющих МОП-транзистора в изолированных областях («карманах»). Левый «карман» легирован на большую глубину акцепторной примесью для формирования в нем п-канального МОП-транзистора. В правом «кармане» сохраняется исходный кремний, имеющий электронную проводимость. Длина измеряемых затворов обозначена на рис. 2 буквой I.

Рис. 2. Сечение двух взаимодополняющих МОП-транзисторов

Из результатов измерений следует вывод, что длина затвора имеет разброс от 10 до 12,5 мкм; меньшие размеры - по краям пластины, а максимальные размеры - в центре пластин. Длина затвора влияет на выход годных микросхем: у годных микросхем длина затвора составляет не менее 11,25 мкм. Диаграмма распределения размеров каналов на одной из пластин в относительных единицах приведена на рис. 3. Соответственно, мож-

но сделать вывод, что процент выхода годных микросхем в определенной степени коррелирует с геометрией затвора, т.е. зависит от качества фотолитографии в пленке ПК.

Для установления причин, приводящих к растраву поликремниевых затворов, было специально изготовлено 5 кремниевых пластин со слоем поликремния на окисле. На поверхности поликремния по существующей технологии была сформирована защитная маска из фоторезиста. Перед травлением ПК были произведены замеры длины затворов в маске фоторезиста на каждой пластине через 3 ряда с шагом 8-10 затворов в каждом ряду, из которых было видно, что еще до травления имеется небольшой разброс размеров (в пределах 0,1-0,2 мкм).

Три пластины из пяти подвергались стандартному процессу травления, т.е. использовалось травление ПК методом погружения в травитель. Разница в подготовке образцов заключалась в следующем.

• Пластина № 1 подвергалась обработке строго в соответствии с технологией, т.е. перед фотолитографией производилось легирование пленки ПК фосфором.

• Пластина № 2 отличалась от первой тем, что обратная сторона пластины была защищена задубленной пленкой фоторезиста.

• У пластины № 3 легирование пленки ПК фосфором не производилось.

После проведения стандартного травления были отмечены следующие особенности. На первых двух пластинах растрав затворов был одинаковым, и величина растрава соответствовала ранее полученным результатам, хотя наблюдалась меньшая скорость травления ПК на пластине № 2. Скорость травления пленки ПК на пластине № 3 была существенно меньше, чем на первых двух, однако распределение растрава затворов по площади пластины был таким же, как и у первых двух пластин.

Пластины № 4 и № 5 готовились по стандартной технологии (см. пластина № 1). На этих пластинах был изменен метод травления. При травлении ПК на пластине № 4 использовалось перемешивание травителя в ванне в процессе травления, а травление на пластине № 5 осуществлялось путем полива травителя на рабочую поверхность.

В результате было обнаружено, что в обоих случаях существенно возрастает скорость травления пленки ПК. Измерение размеров затворов показало как уменьшение

2;

2

Рис. 3. Распределение длины затвора по площади пластины

самого растрава затворов, так и уменьшение разброса размеров по площади пластин.

Однако по абсолютным значениям отклонений размеров затворов на ПК от размеров

затворов на фоторезистивной маске лучшие результаты были получены на пластине

№ 4 (уход размеров не превышал 1 мкм), тогда как на пластине № 5 он составил в среднем порядка 1,5 мкм.

Выводы

1. Обнаружена корреляция между длиной затвора МОП-тразисторов в КМОП ИС и процентом выхода годных микросхем с пластины.

2. Разброс длин затворов МОП-транзисторов по площади пластины находится в пределах 10-12,5 мкм.

3. Разброс длин затворов МОП-транзисторов по площади пластины обусловлен неравномерностью травления ПК, что связано с медленным удалением продуктов травления со средних областей пластин и недостаточным притоком свежего травителя.

4. Введение в технологический процесс травления ПК перемешивание травителя обеспечивает меньший разброс длин затворов по площади кремниевых пластин.

Литература

1. Скворцов А.М., Халецкий Р.А. Литография в микроэлектронике. Учебное пособие. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2003. 80 с.

2. Скворцов А.М. Технология микросхем и элементов ЭВА. Л.: ЛИТМО, 1978. 83 с.