Диплом_9282 / 2023ВКР928224Зикратова
.pdfтография по способу проведения подразделяется на контактную, с зазором
(практически не применяются из-за быстрой изнашиваемости ФШ, малой масштабности переноса изображения) и проекционную. Подробнее остано-
вимся на проекционной фотолитографии, поскольку в настоящее время этот способ полномасштабно применяется на производствах микроэлектроники по всему миру.
При проекционном способе формирования изображения (рисунок 1.2)
излучение из источника (2) собирается рефлектором (1) и выравнивается по интенсивности, проходя через конденсорную линзу (3), а затем засвечивает ФШ (4), состоящий из пропускаемых и поглощающих участков, тем самым формируя изображение, которое проецируется при помощи объектива (5) на пластине (6) с ф/р пленкой.
1
2
3
4
5
6
Рисунок 1.2 – Формирование изображения при проекционном способе проведения фотолитографии
Разрешение проекционной системы может быть оценено по приблизи-
тельной формуле Рэлея (1.1):
, |
(1.1) |
11
где NA – числовая апертура, определяемая максимальным углом захвата ди-
фракционной картины объективом; λ – длина волны излучения, k – коэффи-
циент пропорциональности. Минимальный размер отображаемого элемента схемы определяется не только проекционной системой установки для лито-
графии, но и от компонентных составов резистов.
Для обычной фотолитографии длины волн, соответствующие наиболее интенсивным пикам в спектре излучения ртутной лампы g–, h– и i–линии
(рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 – Спектр распространенного источника излучения – ртутной дуговой лампы высокого вакуума
1.1.2 Другие виды литографии
Опираясь на приближенную формулу Рэлея (1.1), согласно которой разрешение, а вместе с тем и размер минимального элемента схемы, полу-
чаемое на установке, может быть улучшено благодаря снижению длины вол-
ны излучения и расширению апертуры объектива велись постоянные усо-
вершенствования литографических установок и материалов к ним. Таким об-
разом, литография развилась от обычной фотолитографии (см. пункт 1.1.1),
минуя DUV–литографию (на лазерах при λ = 248–157 нм) до EUV–
литографии (λ = 13,5 нм).
Отличие EUV–литографии от DUV–литографии [1]:
вместо преломляющей оптики используется оптика из множества на-
кладываемых друг на друга слоев; импульсный источник излучения на осно-
12
ве плазмы вместо лазера; вакуумная среда, вместо атмосферного давления,
чтобы избежать рассеяния коротковолнового излучения (λ = 13,5 нм) на мо-
лекулах газов.
1.2 Виды фоторезистивных материалов
Глобально ФР подразделяются по способности изменять свои свойства,
связанные с растворимостью при поглощении энергии – на фоторезисты по-
ложительного тона, которые повышают свою относительную растворимость и на фоторезисты негативного тона, которые снижают свою относительную растворимость.
1.2.1 Основные механизмы протекания химических реакций в фоторезистах
Реакции, протекающие в фоторезистивной плёнке при поглощении энергии, вне зависимости от типа ФР (обычные или ФР с усилением), осно-
ваны на принципе изменения растворимости и обычно, протекающие по сле-
дующим механизмам:
1) Фоторасщепление – молекула поглощает квант энергии, переходит в возбуждённое состояние, затем расщепляется с образованием либо радикалов
(уравнение 1.2) либо ионов, эти активные частицы вступают в реакцию с по-
лимерным компонентом и образуют растворимое или нерастворимое соеди-
нение (в случае сшивки или полимеризации):
A-R + nM A• + •R + nM → RMn• + •A, |
(1.2) |
где A-R – молекула фотоинициатора, •R – радикал, nM – мономеры, а RMn• –
объединяющиеся между собой части
2) Фотосенсибилизация – светочувствительная молекула переходит в возбужденное состояние и в результате обменного взаимодействия передает энергию другой молекуле, которая не может поглотить первичный квант конкретной энергии – такой механизм используется в ФР для расширения
13
спектра поглощения или повышения чувствительности к какой-либо длине волны (уравнение 1.3) [2]:
A* + B + C A + B* + C → A + BC, |
(1.3) |
где B и C – молекулы нереагирующие между собой и непоглощающие квант энергии, A – молекула-сенсибилизатор, BC – растворимое/нерастворимое в проявителе соединение.
1.3 Физико-химические свойства и параметры фоторезистивных составов
Параметры (разрешающая способность, светочувствительность) и
свойства (вязкость, химическая стойкость) фоторезистивных материалов обусловлены химическим строением компонентов, их взаимодействием меж-
ду собой, массовым процентным составом.
1.3.1 Чувствительность фоторезистивных составов к излучению и экспозиционная доза
Фоторезисты действуют, как уже ранее было сказано, по принципу из-
менения растворимости при поглощении энергии излучения с активацией каскада фотохимических реакций. Квантовый выход характеризует долю мо-
лекул, поглотивших энергию данной длины волны и вместе с тем вступив-
ших в фотохимическую реакцию [3], а светочувствительность состава можно охарактеризовать как долю энергии конкретной длины волны, которая была поглощена теми самыми молекулами и активировала протекание нужной
фотохимической реакции – спектральная светочувствительность. По форму-
ле (1.4) обычно выражается интегральная величина, потому что идеально мо-
нохроматичного излучения нет, даже для лазерных установок:
S = |
|
= |
|
, |
(1.4) |
|
|
где H – экспозиционная доза (интегральная величина), Дж/м2; E – плотность энергии, передаваемой в единицу времени по всем длинам волн, Дж/(м2 с); t –
время экспонирования, cекунды.
14
Экспозиционной дозой называют энергию, необходимую для актива-
ции и протекания фотохимических реакций с образованием растворимых
(для ФР положительного тона) и малорастворимых (для ФР негативного то-
на) в проявителе соединений по всей, заданной, толщине ф/р плёнки; опреде-
ляется экспериментально под конкретные нужды на установках фотолито-
графии.
1.3.2 Параметры Дилла
Коэффициенты (A, B) описывают поглощающие характеристики фото-
резистивного состава. Чтобы лучше понимать происхождение коэффициен-
тов Дилла ознакомимся с законом Бера, который линейно выражает зависи-
мость поглощающего коэффициента по формуле (1.5):
α = a K, (1.5)
где K – концентрация поглощающих энергию молекул, a – величина, связан-
ная с вероятностью захвата фотона молекулой.
Используем модель разбавленных растворов (её применение не совсем верно по отношению к ФР, так как сам ФР – вязкая жидкость, где молекулы активно взаимодействуют между собой и влияют на поглощающую способ-
ность друг друга) и представим поглощающий коэффициент ФР по формуле
(1.6) [4]:
α = аР Р + аП П + аС С + аПР ПР, |
(1.6) |
где Р, П, С, ПР – концентрации растворителя, полимерного компонента, сен-
сибилизатора и продукта, образующегося при поглощении энергии сенсиби-
лизатором (С ПР), соответственно.
Во время экспонирования сенсибилизатор поглощает энергию с обра-
зованием продукта (ПР) и его концентрация снижается, а значит концентра-
цию продукта можно приближенно выразить по формуле (1.7): |
|
ПР = С0 – С, |
(1.7) |
15
где С0, С – изначальная концентрация и концентрация на данный момент времени сенсибилизатора в составе, а ПР – концентрация образующего про-
дукта
Формулу (1.8) можно преобразовать и выделить коэффициенты Дилла:
α = аР Р + аП П + аС С + аПР ПР = Ac + B, |
(1.8) |
где c = , A = (aС – aПР) С0, B = aПР С0 + aП П + aР Р.
Образование продуктов реакции при экспонировании приводит к сни-
жению и повышению концентраций сенсибилизатора и продуктов соответст-
венно. Чем меньше молекул, тем ниже вероятность захвата ними фотонов. Из выше написанного можно посмотреть на физический смысл этих коэффици-
ентов:
Коэффициент A – это поглощающая способность еще не засвеченного ФР, а B – это способность к поглощению уже проэкспонированными участ-
ками ФР.
Часто в спецификациях к ФР размещают графики зависимостей коэф-
фициентов A, B (рисунок 1.4), на которых можно увидеть возрастание коэф-
фициента B при движении в область коротких волн. Это значит что, попа-
дающее излучение послойно поглощается уже экспонированными участками ФР и скорее всего не сможет проникнуть в более глубокие слои, где химиче-
ское преобразование не прошло. На этом основании можно предположить,
что обычные ФР (по крайней мере позитивные ФР) для проведения коротко-
волновой фотолитографии не годны – нужны новые материалы.
16
A
B
Рисунок 1.4 – Экспериментальные зависимости параметров Дилла, для ФР S1800 G2 (на основе НХД)
Эти коэффициенты (A, B) устанавливаются экспериментально [4]: че-
рез покрытую прозрачным материалом плёнку из ФР пропускают излучение для каждой длины волны из интересующего диапазона и снимают временные зависимости интенсивности пропускания, то есть при tэксп → 0 вычислили A,
апри tэксп → ∞ рассчитали B.
1.3.3Способность к отображению элементов фиксированных раз-
меров
Способность к отображению элементов основывается на двух состав-
ляющих – возможности самой установки литографии (формула (1.1)) и свой-
ствах резиста (размеров молекул, принимаемых ими пространственных кон-
фигураций).
При изготовлении ИМС, а для СБИС тем более важна как ширина са-
мих линий, так и пространства между ними для компоновки элементов на подложке без смыканий, поэтому разрешение оценивают по способности к отображению линий одинаковой ширины (b), разделённых точно такими же по ширине пустыми промежутками (рисунок 1.5, а).
а
17
b
а) б)
Рисунок 1.5 – К определению разрешающей способности ФР: а) – тестовые структуры; б) – серии тестовых структур, освещаемые разными экспо-
зиционными дозами
Для определения минимального размера элемента выполняют фотоли-
тографию для тестовых структур разных размеров и смотрят на качество и чёткость их отображения – без схлопываний, с гладкими стенками. Разреше-
ние может быть снижено при недостаточной экспозиционной дозе, поэтому сначала подбирают её – засвечивают тестовые структуры при разных дозах и оценивают границу элемента на слоистость (рисунок 3.2, б), затем уже раз-
решающую способность.
1.3.4 Адгезия плёнок ФР к технологическим слоям
Главное требование к фоторезистивной маске – это сохранить с мини-
мальными искажениями (предусмотренными допусками) топологию рисунка,
в течение времени использования. Защитные свойства маски отчасти опреде-
ляются характером взаимодействия её компонентов с поверхностью под-
ложки или технологическим слоем и оцениваются по смачиваемости.
Смачиваемость характеризуют углом между жидкой (в данном случае рассмотрим для ФР) и газовой фазами на границе с твердой фазой (рисунок
1.6, а), тогда [2]:
1)θ → 0o – поверхность смачивается ФР (предпочтительно)
2)θ → 180о – поверхность не смачивается ФР и он отслаивается, рас-
травливается.
18
Растворы травителей и проявителей – это водные растворы, поэтому нужно, чтобы обрабатываемая поверхность не смачивалась водой, то есть яв-
лялась гидрофобной. Этого можно добиться, покрыв поверхностный слой реагентом (ПАВ), который имеет в своем составе связующие функциональ-
ные группы. Таким веществом является, например, гидроксиметилдисилозан
(ГМДС).
а) б)
Рисунок 1.6 – Адгезия ФР к поверхности: а) – критерий смачиваемости; б) – пример возможной недостаточной адгезии ФР
В случае низкой смачиваемости ФР может произойти подтек травиль-
ного раствора по поверхностной границе ФР с технологическим слоем, когда химические связи между ФР и пластиной слабы (пластина обладает гидро-
фильными свойствами), отслоить ФР и растворить по периметру материал и исказить форму, как это произошло на рисунке 1.6 (б). В результате могут быть не соблюдены формы, размеры и нарушена согласованность областей легирования, смещены отдельные элементы технологических слоев относи-
тельно друг друга; это все влечёт получение неработающих или малонадеж-
ных ИМС, приборов.
1.3.5 Химическая стойкость фоторезистивных масок к травильным растворам и проявителям
Если адгезия ФР косвенно зависит от состава и её можно запросто по-
высить (пункт 1.3.4), то стойкость к химическим реагентам напрямую связа-
на со структурой полимера ФР.
19
На производствах при изготовлении полупроводниковых приборов на пластинах появляется необходимость удаления локальных участков техноло-
гических слоёв для формирования контактных окон, областей с n–, p–типами проводимости, задания рельефа. Точность передачи размеров компонентов схемы, областей легирования во многом зависит от химической стойкости фоторезистивной маски к агрессивным компонентам травильных растворов и проявителям.
Рисунок 1.7 – Стравливание ф/р маски
Скорость стравливания кромки ф/р маски зависит от площади сопри-
косновения её с реагентом – чем она выше, тем интенсивнее стравливается край маски, соответственно эту величину можно оценить по формуле (1.9) [4]:
υтр.ФР = |
|
= 2(RH + RV ctgθ), |
(1.9) |
|
где RH и RV – скорости растворения по горизонтали и вертикали, а θ – угол выступа кромки ф/р маски.
Невертикальная кромка является уязвимостью, потому как выступает в толщу раствора, где концентрация травильного агента выше, чем у верти-
кальной поверхности, потому что не растрачивается. Выступающий клин также влияет на передаваемый размер легированной области, при ионной имплантации: у края, в силу своей толщины, выше вероятность прохождения иона в технологический слой.
На практике после проведения ЖТ и ПХТ смотрят на боковой подтрав,
измеряя размеры вытравленного элемента и изначальные размеры, и по соот-
ношению этих параметров судят о защитных свойствах ф/р маски.
20