TEMA 6. Tecnología y fabricación de CIs F. Procesos de grabado y litografía

Transcripción

1 TEMA 6 Tecnología y fabricación de CIs F. Procesos de grabado y litografía

2 I. Introducción: Grabado y litografía Los procesos de grabado, limpieza y litografía están presentes en muchos momentos del proceso de fabricación de microcircuitos. Los procesos de grabado junto con los de litografía se utilizan fundamentalmente para los siguientes propósitos: Abrir ventanas en las capas protectoras depositadas: De ese modo se realizan difusiones o implantes en regiones selectivas del semiconductor. Grabado en el substrato de Si para realizar pozos de aislamiento Crear las diferentes formas de las capas de metalización. Creación de capas protectoras. Formación de ventanas para acceso a las conexiones de los cables de metalización de los circuitos (bondig pads). Esquema de proceso general de grabado y litografía: deposición de película y de la fotoresina, aplicación de la máscara en el proceso litográfico, grabado de la mascara, grabado de la película, y eliminación final de la fotoresina

3 I. Introducción: Grabado y litografía Vamos a estudiar: Transferencia de diseños Grabado Tipos de grabado (históricamente) Conceptos básicos del grabado Definición de parámetros: Velocidad, uniformidad, anisotropía, selectividad, bias, etc. Grabado químico húmedo: Características. Ejemplos Ventajas y desventajas del grabado húmedo. Grabado seco. Características. Proceso IBE Ejemplos Stress-free silicon in photonics application Silicon Anisotropic Etching. Deep silicon etch to full wafer thickness, leaving a 1µm membrane. Wall angle = 54.

4 I. Introducción: Grabado y litografía Transferencia de diseños: indica de qué manera un diseño (definido mediante una máscara) se transfiere a un substrato mediante métodos químicos o físicos. Existen métodos aditivos y substractivos Métodos substractivos: En primer lugar se deposita la película sobre un substrato Posteriormente se realiza una capa de máscara con una forma adecuada de manera litográfica Las regiones que no están cubiertas por la máscara son eliminadas mediante grabado Métodos aditivos o lift-off: En primer lugar se genera la máscara Posteriormente se deposita la película sobre la máscara y el substrato Finalmente se eliminan las porciones de la película que recaen sobre la máscara mediante una disolución selectiva de la máscara en un líquido apropiado Ilustración esquemática de los métodos substractivo (a) y aditivo (b) de transferencia de diseños

5 I. Introducción: Grabado y litografía Grabado: El término grabado se utiliza para describir todas las técnicas mediante las cuales el material se elimina uniformemente de una oblea El grabado es el proceso contrario a la deposición Después de realizar una deposición, las capas depositadas se eliminan =graban de manera selectiva para formar una forma o un diseño deseados. La máscara para realizar el grabado es usualmente: Una fotoresina El SiO 2 o Si 3 N 4 se utilizan como máscaras más resistentes. Fundamentalmente se realiza el grabado: De capas delgadas depositadas Algunas veces del substrato de Si para realizar pozos de aislamiento ver Figuras Perfiles de pozos (grabado SiO 2, Si 3 N 4 y posterior oxidación)

6 I. Introducción: Grabado y litografía Grabado: Ejemplo de grabado ideal de pozos profundos de aislamientos Transistor CMOS aislado mediante pozos

7 I. Introducción: Grabado y litografía Históricamente el Grabado: El grabado puede realizarse en un entorno seco o húmedo, históricamente: Hasta hace unos años la mayoría de la fabricación de dispositivos se llevaba a cabo mediante el grabado químico o grabado húmedo (wet etching) se basa en sumergir la oblea en una solución que tiene un disolvente líquido es un proceso químico. En los últimos años han sido desarrollados y denominados con el término genérico de grabado seco o grabado asistido por plasma (dry etching) nuevos procesos de grabado en fase gaseosa Se utilizan disolventes en fase gaseosa proveniente de un plasma son procesos químicos y físicos Principalmente estudiaremos los procesos de grabado seco siguientes: Molido iónico (ion milling) Pulverización (sputtering) Grabado iónico reactivo (reactive ion etching: RIE)

8 I. Introducción: Grabado y litografía Conceptos básicos del Grabado (I): Diferentes parámetros que controlan la fidelidad de la reproducción de la máscara sobre la capa depositada de material: Parámetro 1: La velocidad de grabado (R): La velocidad de eliminación de la película, típicamente de 1000 Å/min. Parámetro 2 : Uniformidad : U= 2. La uniformidad del grabado (U): % de cambio en la velocidad del grabado de unas obleas a otras obleas (dentro de un proceso) o comparativa entre runs de fabricación. Siendo: Se define como R high = Velocidad de grabado máxima R low = Velocidad de grabado mínima U R R high high R R low low

9 I. Introducción: Grabado y litografía Conceptos básicos del Grabado (II): El grabado NO da lugar a paredes perfectamente rectas bajo el límite de la máscara tiene lugar de manera vertical y de manera lateral. Parámetro 3: Anisotropía (A): Medida de la direccionalidad del grabado. Siendo: R vertical = Velocidad de grabado vertical R lateral = Velocidad de grabado lateral A R vertical R R vertical lateral Caso ideal: el perfil es totalmente anisótropo (no hay grabado lateral) R lateral =0 A=1 : En general, lo que se desea es que R lateral << R vertical

10 I. Introducción: Grabado y litografía Conceptos básicos del Grabado (III): Tambien se define Bias (B): mide (en unidades de distancia) la diferencia en dimensiones laterales de la imagen máscara (dm) y la capa atacada (df). Si Bias=0 el perfil vertical coincide con el límite de la máscara R lateral =0 y la máscara se Bias del grabado: diferencia en dimensiones laterales transfiere con fidelidad perfecta (grabado extremo de la imagen máscara (dm) y la capa atacada (df) anisótropo o grabado vertical) por tanto A=1 Si las velocidades de grabado vertical (R vertical ) y lateral (R lateral ) son iguales o cuando la velocidad de grabado es independiente de la dirección se denomina grabado isótropo Perfiles de grabado (a): Totalmente anisótropo (B=0); (b): Totalmente isótropo Ilustración de perfiles de grabado isótropos, anisotropos y completamente anisótropos

11 I. Introducción: Grabado y litografía Conceptos básicos del Grabado (IV): Parámetro 3:. La selectividad (ratio de las velocidades de grabado de los materiales que queremos eliminar y mantener). El reactivo puede atacar también al substrato, a la máscara y no sólo a la película depositada. Por ello se definen dos selectividades, teniendo en cuenta los tres materiales: substrato (u oblea), película (film) o máscara. Sfm: Selectividad película depositada - máscara Sfs: Selectividad película depositada-substrato Siendo: Rf : velocidad de grabado de la película Rm : velocidad de grabado de la máscara RS : velocidad de grabado del substrato S fm R R f m S fs R R f s

12 I. Introducción: Grabado y litografía Requerimientos generales que ha de cumplir un grabado Obtener el perfil deseado = direccionalidad (con una cierta pendiente o totalmente vertical) Obtener un ataque mínimo o bias bajo la máscara Una gran selectividad entre otras capas expuestas y la resina Ser un proceso uniforme y reproducible Obtener un daño mínimo en la superficie y en el circuito Limpieza, seguridad y coste razonables La figura muestra los conceptos de direccionalidad y selectividad

13 II. Grabado Grabado químico húmedo: Características El grabado es similar al proceso CVD de deposición excepto porque el material es eliminado en vez de depositado. Por tanto, también consta de tres pasos: El transporte de masa de los reactantes hacia la superficie a ser grabada La reacción superficial que tiene lugar entre los reactivos y la capa que va a ser grabada El transporte de los productos de la reacción desde la superficie hacia el exterior. El grabado húmedo se caracteriza por que las obleas se sumergen en unas bañeras químicas específicas que contienen un disolvente líquido. La Tª de la reacción y el agitado de la oblea permiten ajustar la velocidad. Para realizar el grabado se utilizan normalmente distintos tipos de reactivos: Reactivos en fase líquida (grabado húmedo) los productos de la reacción deben ser solubles en disolventes Grabado con reactivos en fase gaseosa los productos de la reacción deben ser gaseosos o tener una baja Tª de sublimación Proceso básico de grabado

14 II. Grabado Grabado químico húmedo: Ejemplos de grabado químico El grabado químico húmedo de materiales cristalinos suele tener lugar en dos fases: Una oxidación es similar a oxidación anódica (capas nativas) tiene lugar por la acción de la diferencia de potencial aplicada en las celdas electrolíticas y da lugar al flujo de corrientes de corrosión que forman el óxido Una disolución química del óxido (u óxidos) se añaden disolventes químicos adicionales los cuales deben ser solubles en agua de modo que eliminen el óxido de la superficie del semiconductor Ambos procesos tienen lugar simultáneamente mediante una mezcla de agentes en las misma solución del grabado Grabado con hidróxido potásico Montaje para grabado con ácido hidrofluoridrico

15 II. Grabado Grabado químico húmedo: Ejemplo: Grabado isótropo de Silicio Los disolventes comúnmente utilizados para el Si son mezclas del HNO 3 (ácido nítrico) y del HF (fluorídrico) - el H+ es un agente oxidante de alta reactividad. El papel del HNO 3 es el de oxidante para el Si: por lo que da lugar a grandes cantidades de SiO 2 (este 1er proceso anódico es complicado). El papel del HF es disolver el SiO 2. En realidad ambas reacciones ocurren en una única. Curvas de la velocidad de grabado (µm/min) constante del Si en agua y ácido acético (en un sistema de disolución de HF:HNO3)

16 II. Grabado Ventajas y desventajas del grabado químico húmedo: Las ventajas del grabado húmedo: Es altamente selectivo debido a que están basados en procesos químicos Las desventajas del grabado húmedo: Proceso fundamentalmente isótropo falta de anisotropía Control del proceso muy pobre Excesiva contaminación de partículas Por ello se utiliza el grabado húmedo para procesos de grabado que pretendan unos diseños poco críticos. Hoy día, las tecnologías de Si y GaAs que incluyen: La necesidad de interconectar un gran número de elementos para formar un circuito La reducción de las dimensiones de los dispositivos Hacen que se necesitan grabados selectivos en base al tipo de impurificación o concentración y a la composición del material por lo que la resolución conseguida con el grabado húmedo no es suficiente DESARROLLO DEL GRABADO SECO

17 II. Grabado Características del grabado seco: El grabado seco elimina el material mediante haces de iones energéticos o reacciones químicas ayudadas por plasma se bombardea físicamente el material a eliminar. Se proporciona energía a los proyectiles que se mueven a gran velocidad cuando colisionan contra el substrato Las ventajas del grabado en seco han hecho que haya reemplazado al grabado químico húmedo en tecnologías de circuitos integrados (CIs) y su importancia en GaAs: Es posible realizar un grabado altamente direccional debido a la presencia de especies iónicas en el plasma y un campo eléctrico perpendicular a la oblea Una gran variedad de técnicas: Back-sputtering Ion milling (IBE) o Molido iónico. También es posible utilizar técnicas combinadas de grabado seco con grabado químico: Procesos RIE (Reactive íon etching) Fotografía SEM de pozos de aislamiento de transistores bipolares BJT de tecnología IBM

18 II. Grabado Proceso IBE: ion beam etching También llamado: molido iónico (ion milling) en el cuál se pueden utilizar gran variedad de esquemas asistidos por plasma. El equipamiento necesario para realizar un grabado IBE: Normalmente se utiliza como plasma el Ar (a) Un filamento caliente proporciona la fuente de electrones que viajan hacia el ánodo (b) Un campo magnético solenoidal (c) aumenta el recorrido de los electrones y por tanto su energía para ionizar el gas de Ar Se obtiene un control independiente de la energía de los iones y de su la densidad. Los iones de Ar+ acelerados abandonan la fuente de iones a través de unas rejillas con aperturas alineadas (d) Un filamento caliente (fuera de la fuente de iones), neutraliza la carga de los iones de manera que formen un haz altamente direccionado (e) Son digiridos hacia la cámara de trabajo donde las obleas se colocan en una plataforma móvil (f) (f) (e) Equipamiento para la realización del Ion milling o grabado IBE (d ) (c) (a) (b)

19 II. Grabado Proceso IBE: ion beam etching Mediante esta técnica IBE se puede: realizar un molido tanto de conductores como aislantes debido al carácter del haz Pueden controlarse de manera independiente: La energía de los iones La densidad de los iones La temperatura del substrato El ángulo de incidencia del haz RIE: Deep, smooth, vertical etch. Estas características que han hecho que el grabado IBE sea una técnica muy atractiva para el uso en aplicaciones VLSI dada su alta resolución y anisotropía. En la tabla mostramos las velocidades de grabado mediante esta técnica IBE para diferentes materiales

20 II. Grabado Comparación y ejemplos de grabado físico, químico, y quimico-físico. Deep vertical oxide etch La comparación en las características principales de los procesos físicos (necesitan una mayor energía y producen grabados más anisotropos) y químicos (aunque son normalmente isótropos dan lugar a una mayor selectividad).

21 II. Grabado Ejemplos Grabados de metalización de aluminio: grabado de plasma Grabados isótropos en Silicio: grabado de plasma Grabado de Si: técnica RIE

22 II. Grabado Ejemplos: Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) son la integración de elementos mecánicos: sensores, actruadores y electrónica en un substrato de silicio a través de la tecnología de micro-fabricación. Aplicaciones: robótica, sensores, militares, etc SEM of a shear-stress microsensor fabricated by surface Model Microturbine. Fabricated at MIT by ion-etching micromachining using a single structural layer of silicon. Diameter is approximately 2 mm. Research is part of polysilicon. the ARO program to power the Army After Next soldier.

23 II. Grabado Ejemplos: Aplicaciones en sensores, medicina, etc Microprueba para sensores táctiles. Low-temperature mechanically released cantilevers