книги / Методы повышения параметров БИС

собность процесса контактной литографии возрастает с уменьше­ нием длины волны света и в предельном случае определяется толщиной резиста.

Для снижения дифракционных искажений в первую очередь следует стремиться к достижению оптического контакта между фотошаблоном и пластиной тщательной обработкой поверхнос­ тей, что чрезвычайно сложно, или применением плотно прилегаю­ щего шаблона —тонкого шаблона, который при контакте с плас­ тиной легко деформируется и хорошо прилегает к ней. Такой шаблон с вакуумным прижимом обеспечивает получение линий шириной 0,4 мкм. Недостатком этого шаблона является труд­ ность его очистки и легкая повреждаемость.

В лабораторной практике эффективный зазор может быть уменьшен путем введения иммерсионной среды между шабло­ ном и пластиной [12]. Действенными способами уменьшения дифракционных искажений являются также снижение пространст­ венной когерентности излучения путем использования протяжен­ ных источников и замена остроконечных углов топологического рисунка округлениями того или иного радиуса. Отметим, что угол расходимости лучей при дифракции на круглом отверстии больше, чем на прямоугольном того же размера, а значит, допус­ тимый зазор при контактной печати круглых структур меньше

[155].

При изготовлении интегральных схем процесс литографии осуществляется несколько раз, поэтому очень важно точно сов­ мещать уже имеющиеся на пластине структуры с изображением, которое должно быть перенесено с фотошаблона. Контроль за совмещением проводится с помощью микроскопов вручную или автоматически.

Существенным недостатком контактной фотолитографии является быстрое изнашивание фотошаблонов. Поэтому были разработаны бесконтактные методы —с зазором и проекцион­ ные.

Как показывают расчеты, топологические элементы с разме­ рами не более 1 мкм могут быть получены лишь при величине зазора менее 0,8 мкм, что практически реализовать невозможно, т. е. традиционная фотолитография с зазором для субмикронной технологии, как правило, не может быть использована [11]. Од­ нако, если размеры щели (отверстия) на фотошаблоне соизме­ римы с размерами зоны Френеля (щель становится аналогом не­ совершенной линзы Френеля с одной действующей зоной), воз­ никает эффект дифракционного фокусирования. При этом рас­ пределение интенсивности в изображении щели или отверстия имеет ярко выраженный максимум, ширина которого меньше

71

Рис. 33. Принципиальная схема опе­ раций проекционного совмещения

(а) и экспонирования (б):

1 — микроскоп; 2 —фотошаблон;

размера тсгологичисогс Зи**1.;екта на шаблоне, вследствие чего на рабочей пластые могут быть сформированы субмикронные геометрические фигуры. На достижимую кратность передачи размеров влияют не только отклонения зазора от оптимального, но и погрешности процесса нанесения, экспонирования и прояв­ ления фоторезиста.

При проекционной фотолитографии изображение всего фо­ тошаблона с помощью линзовой или зеркальной оптической сис­ темы переносится с сохранением масштаба (рис. 33) или с уменьшением (рис. 34) на покрытую резистом пластину [Ш , 155]. Основные трудности метода связаны с получением равно­ мерного освещения и высокого однородного разрешения на дос­ таточно больших площадях.

Разрешающая способность проекционной фотолитографии за­ висит от параметров оптической системы (апертуры объектива, аберраций, коэффициента уменьшения), от размеров и тополо­ гии элементов рисунка на фотошаблоне, от степени когерентнос­ ти освещающего пучка, продолжительности экспозиций и усло­ вий проведения процесса.

В зависимости от конструкции проекци­ онной установки с сохранением масшта­ ба изображение всей топологии либо одно­ временно переносится на рабочую пласти­ ну, либо отдельные фрагменты топологии последовательно (путем шаговой мульти­ пликации) размножаются на пластине, ли­ бо изображение переносится по частям при сканировании луча по шаблону [131,136].

Рис. 34. Проекционная установка с фотомуль­ типликацией и уменьшением размеров:

1 - зеркало; 2 - лампа; 3 - конденсор; 4 - шаблон; 5 - уменьшающая линза; 6 - плас тина, покрытая фоторезистом

72

Впервых двух случаях используется все рабочее полеобъектива,

впоследнем —небольшая его область, свободная от аберраций, благодаря чему достигается максимальное разрешение по всему полю изображения. Совмещение пластины с фотошаблоном осу­ ществляется вручную или автоматически.

Установки проекционной фотолитографии с мультипликацией уменьшенного изображения обычно имеют, коэффициент умень­ шения 5 X или 10 X. Oral характеризуются более высокой разре­ шающей спосрбностью (до 0,5 мкм), более точным совмеще­ нием, но имеют более низкую производительность, чем установ­ ки с сохранением масштаба без мультипликации. Промежуточ­ ные фотошаблоны для установок с уменьшением размера более просты в изготовлении, а размер обрабатываемых пластин мо­ жет быть зна!чительно большим. Считается, что установки с уменьшением масштаба и мультипликацией изображения (фото­

повторители) обеспечат получение элементов БИС с размера- р ^ 1 мкм.

Поскольку в установках с мультиплицированием путем шаго­ вого экспонирования число совмещений достаточно велико, для них необходима быстродействующая автоматическая система совмещения и фокусировки. Автоматическое совмещение осо­ бенно необходимо, если тестовые элементы не включены в рису­ нок каждого кристалла, а располагаются на нескольких участках подложки.

Современные оптические системы с преломляющими линзами в области видимого длинноволнового ультрафиолетового излу­ чения имеют лучшее разрешение, чем отражательные. При число­ вой апертуре объектива 0,41 и некогерентном освещении (Х = = 405 нм) получены к линии шириной около 0,8 мкм при глубине резкости ± 1,2 мкм [168]. Создание подобныхобъективов для из­ лучения с А= 200...260 нм услошюно отсутствием материалов с хорошей прозрачностью и высоким коэффициентом преломле­ ния в этом диапазоне воли. Рабочее поле объективов-рефракто­ ров мало, поэтому их используют в установках пошагового мультиплицирования.

Обычные зеркальные объективы с числовой апертурой 0,16 да­ же при использовании излучения сX = 240... 300 нм не позволяют получать разрешения выше 1 мкм. В то же время экспонирова­ ние некогерентным излучением через объектив с числовой апер­ турой 0,35 может обеспечить изготовление линий шириной 0,5 мкм [)68].

Оценивая возможности проекционного метода фотолитогра­ фии, необходимо -учитывать ряд трудностей, возникающих при проекционной печати. Во-первых, требуются специальные конст-

73

частности, для обеспечения требуемого в условиях производства 60 %-го конт­ раста изображения на слое фоторезиста

разрешающая способность оптической системы (предел Релея) должна быть втрое выше, чем ширина самой узкой линии рисун­ ка [136]. Во-вторых, поскольку проекционные объективы кор­ ректируются на узкий диапазон длин волн, необходимы специ­ альные чувствительные резисты и мощные источники монохро­ матического света с заданной длиной волны. Вто же время экспо­ нирование монохроматическим светом приводит к возникновению ь пленке резиста нежелательных интерференционных эффек­ тов, обусловливающих неравномерную ее засветку. В-третьих, проекционная фотолитография предъявляет более жесткие, чем контактная, требования к плоскости полупроводниковой пластины и однородности толщины слоя резиста.

Оценки теоретического предела разрешения, основывающиеся на теории дифракции, показали, что для видимого света с X = = 0,4 мкм минимальная ширина линии изображения составит 0,26 мкм для обычного объектива и 0,15 мкм для иммерсион­ ного. Теоретический предел разрешения при X = 0,3 мкм сдвига­ ется до 0,11 мкм. Расчет предельного разрешения с учетом того, что реальные структуры ИС и БИС образуют дифракционные картины и в результате этого ухудшается контрастность изобра­ жений для беэаберрационных объективов, дает величину, равную 0,2 мкм [155]. Геометрические погрешности при передаче изоб­ ражения, в особенности сферическая аберрация и кома при малых отверстиях диафрагмы, увеличивают ширину линий на изобра­ жении.

Для повышения разрешающей способности проекционной фотолитографии может быть использован эффект дифракцион­ ного фокусирования. Зазор в этом случае создается либо удале­ нием фотошаблона от плоскости, сопряженной с плоскостью фоторезиста, либо удалением фоторезиста от плоскости сфоку­ сированного изображения фотошаблона.

Следует также упомянуть о важности качественного проведе­ ния всех технологических операций, начиная от очистки подпож-

74

ки и заканчивая вытравливанием рельефа на полупроводнико­ вой пластине. Особенно необходимо учитывать взаимные влия­ ния операций экспонирования и проявления как составляющих единого технологического процесса.

Для улучшения качества фотолитографии разработан ряд ее разновидностей [131]. При взрывной фотолитографии (рис. 3S) на фоторезисте создают рельеф, который является негативом маски, затем на всю пластину наносится пленка рабочего матери­ ала. При растворении резиста в растворителе вместе с ним с по­ верхности снимается напыленный рабочий материал, и на плас­ тине, в местах, где не было резиста, остается рисунок с узкими канавками, имеющими практически вертикальные боковые стенки. Этот прием может быть использован, если толщина ре­ зиста в несколько раз больше толщины напыляемой пленки. Ме­ тод взрывной фотолитографии особенно эффективен при фор­ мировании рисунка на пленках стойких инертных материалов, когда требуются сильные травители, воздействия которых не выдерживают органические фоторезисты.

Разработан способ получения линий субмикронной ширины методом контактной печати через шаблон, изготовленный элект­ ронолитографической системой [173]. На подложку наносится пленка вспомогательного позитивного фоторезиста, которая экспонируется, чтобы ее можно было растворить в проявителе. Затем на этот фоторезист наносится „разделительный” более тонкий слой алюминия, затем вторая пленка фоторезиста. После проведения литографии, удаления участков алюминия и вспомо­ гательной плешей фоторезиста под окнами шаблона на подложке образуется маскирующее покрытие с „подтравленным” профи­ лем. При наклонном напылении через окно маски получаютлинии очень малой ширины (0,27. ..0,5 мкм при толщине обеих фоторезистивных пленок 1,2 мкм и окне в маске со стороной квадрата 1,3 мкм). При наклонном напылении материала через два рядом расположенных окна между ними можно создать суженный по сравнению'с маской мост.

Одним из способов обеспечения высокой разрешающей спо­ собности на больших площадях методом бесконтактной фотоли­ тографии является использование голографии, разрешающая способность которой может составить 0,125 нм [42]. Для реали­ зации этого метода необходимы высокостабильные мощные ис­ точники с высокой когерентностью и монохроматичностью из­ лучения и соответствующие регистрирующие среды.

Исследования возможности использования излучения в облас­ ти длин волн Х= 115.. .180 нм показали, что при экспонировании полимерных резистов происходит удаление пленки („проявле­ ние”) [19,21].

4 75

Для резиста 11ММА скорость травления зависит от мощности излучения. Уменьшение толщины слоя резиста пропорционально времени экспозиции и зависит от длины волны. Наиболее интен­ сивно процесс фототравления протекает-при X = 115... 125 нм. Фототравление происходит в результате разрыва химических связей в молекулах полимера при поглощении фотонов излуче­ ния и образования летучих компонентов. Процесс протекает в слое, соответствующем глубине проникновения излучения (для

X = 115...125 нм 30...50 нм). Поскольку процесс травления является послойным, вспучивания резиста не наблюдается.

Достоинствами метода фотолитографии в области глубокого ультрафиолета являются высокая точность воспроизведения ри­ сунка фотошаблона из-за отсутствия отражения экспонирующего излучения от подложки и низкой энергии (<10 эВ) фотоэлект­ ронов, генерируемых при фотодеструкции полимера; сокраще­ ние технологического цикла (за счет операции проявления); лег­ кость обеспечения стабильного и однородного на большой пло­ щади излучения. При зазоре между пластиной и осветителем около 1 мм процесс может проводиться на воздухе при обычном Освещении.

2.3. ЭЛЕКТРОНОЛИТОГРАФИЯ

Электронолитография является одним из вариантов микроли­ тографии, при котором для формирования маскирующих пок­ рытий заданной конфигурации на поверхности пластины исполь­ зуются электронные лучи с энергией 5... 100 кэВ, которым соот­ ветствует длина волны 0,004...0,017 нм [68,73,159].

Достоинствами процесса электронолитографии является вы­ сокая разрешающая способность (теоретический предел 1 нм, в лабораторных условиях получено 8 нм), большая глубина рез­ кости (несколько десятков микрометров), возможность управ­ лять локализацией процесса экспонирования с помощью ЭВМ и получать какие угодно конфигурации обрабатываемых участ­ ков, отказавшись от фотошаблона, а также с большой точностью изготавливать сами фотошаблоны.

Разрешающая способность электронолитографического про­ цесса определяется следующими факторами:

разрешающей способностью электронной оптики; рассеянием электронов в резисте и подложке;

делокализацией первичных возбуждений в ходе вторичных радиационно-химических процессов;

боковыми уходами при проявлении скрытого изображения; боковыми уходами при переносе изображения на рабочий слой.

76

В элекгронолитографии в качестве резистивных материалов для изготовления защитных масок могут использоваться и обыч­ ные фоторезисты и специальные элёктроночувствительные ма­ териалы (электронореэисты). Однако первые не получили рас­ пространения из-за низкой контрастности, недостаточной разре­ шающей способности и паразитной чувствительности к свету.

Основные параметры, характеризующие чувствительность электронорезистов:

£>пор ~ пороговая доза, при которой в резисте начинают про­ исходить процессы, приводящие к началу изменения раствори­ мости облученных участков ( в негативных составах начинаются реакции сшивания, в позитивных - реакциидеструкции), Кл/см2; ОМИн ~ доза, необходимая для полного экспонирования ре­

зиста по всей толщине, Кл/см2;

Г = [log (Омин/Aiop)] 1 —*

контрастность резиста, характеризующая скорость радиационнохимических реакций.

Эти параметры могут быть определены с помощью так назы­ ваемых характеристических кривых, отражающих функциональ­ ную зависимость абсолютной или относительной толщины изо­ бражения в резисте после проявления от дозы облучения. Величи­ на Г оценивается по наклону характеристической кривой и сос­ тавляет больше единицы. Обычно чем выше контрастность, тем резче край изображения.

Резистивные материалы для целей электронолитографии должны обладать высокой разрешающей способностью, их чувст­ вительность должна доходить до 5 • 10" 7 Кл/см2 приГ> 1 для обычных использований в микронном и субмикронном диапазо­ не и до 10" 6 Кл/см2 при высоком Г для прецизионных работ с ультравысоким разрешением [189]. Они должны удовлетворять требованиям высокой температурной стабильности и достаточ­ ной стойкости в агрессивных средах при травлении вакуумно­ плазменными методами, в процессе химических превращений не должны загрязнять изделия продуктами реакции.

Для конкретных применении электронореэисты должны обла­ дать еще и некоторыми дополнительными свойствами. Напри­ мер, при использовании в установках проекционной электрон­ ной литографии резисты должны быть нечувствительны к ульт­ рафиолетовому излучению. Для сканирующей электронолито­ графии необходимы более чувствительные материалы, чем для проекционной.

Наиболее часто применяются электронореэисты на основе по­ лимеров акрилатного ряда, полнксилоксанов, полистирола* рр-

либутадиена, полиметилметакрилата и его сополимеров, полифторалкилметакрилатов, полиолефинсульфонов. Используются также фоторезисты на основе поливинилциннамата, циклокау­ чука и нафтохинондиазидов. Перспективными материалами для создания электронорезистов считаются халькогенидиые системы типа Ge-Se или A s-S с добавлением серебра и пленки Ленгмю­ ра-Блоджет [1,16,167].

Для понимания процессов, происходящих при электронной литографии, необходимо знать закономерности. прохождения электронов через вещество и реакций физико-химических прев­ ращений, происходящих в слое резиста под воздействием элект­ ронного облучения за счет выделенной при этом энергии.

Одним из направлений теоретических исследований взаимо­ действия электронов средних энергий с веществом является по­ лучение расчётных соотношений для сечений рассеяния и зако­ нов торможения электронов, которые могут быть непосредствен­ но использованы для объяснения закономерностей прохождения электронов через тонкие пленки вещества. Наряду с этим разраба­ тываются различного рода модели процесса движения электрона в мишени, которые благодаря упрощению реальных процессов об­ легчают расчет тех или иных характеристик процессов [44, 68].

Процесс прохождения электронов через вещество строго опи­ сывается классическим кинетическим уравнением переноса, в котором скорость изменения электронного потока в заданной точке пространства г и направлении движения О определяется плотностью источников электронов, механическим переносом за счет градиента потока, а также обусловленным рассеянием ухо­ дом из точки г электронов с энергией Е и появлением других электронов (вторичных и рассеянных), имевших до вэаимодействия с атомами в данной точке г энергию Ё и направление движения ft!

Для стационарного потока электронов кинетическое уравне­ ние переноса имеет вид [68]:

Й-V Ф & е Д ) + 2я ( г*,£)«Ф (г', Е, ft) = S ( ? ,E , ft) + + ЯФ (r*.E ,ft)v ду (г”.Е, Й-П*) d f t 1+ J Ф (г*, Ef, Й) X

Х 2 ДН ( ^ ,E ,i E )d E l.

, _ у -ф

Здесь Ф (г, Е, Щ - дифференциальная по энергии Е и направле­ ниям движения П плотность потока электронов в точке прост­ ранства г*; Ея (?, Е) - полное макроскопическоеречение рассеяния электрона с энергией Е в точке S (г*, Е, ft) —диффе­

78

ренциальная по энергиям и направлениям плотность источников электронов; Еду (г*, Е, Й -Й) - дифференциальное по углам от­ клонения сечение упругого рассеяния электрона с энергией Е на экранированных ядрах атомов вещества в точке г*; Бдн (г*, Ё, Е) - 1дифференциальное сечение неупругого взаимодействия электрона в точке г с электронными оболочками атомов с изме­ нением энергии от Е до Е'

При этом граничное условие для выпуклых тел записывается так:

Ф (г; Е, Й) = / f , Е, Й) для г*€ Gy (Й • Ёг) < 0,

где/ (г”, Е, Й) —плотность внешнего потока электронов на по­ верхности G тела; п г — внешняя нормаль к точке Ё [168].

Решение этой задачи численными методами очень сложно, аналитические решения пока найдены только для однородных мишеней простой геометрической формы, в приближении непрерывных потерь, малых углов рассеяния и других допу­ щений.

В ряде случаев при анализе переноса электронов пользуются описанием процесса, интегральными уравнениями, которые пока еще тоже не имеют общих решений [44,45,70].

Для получения пространственного распределения пробегов и энергетических, потерь электронов широко используется метод статистических испытаний Монте-Карло, состоящий в „разыгры­ вании” случайных траекторий на ЭВМ и вычислении статистиче­ ских средних значений необходимых величин. При этом траекто­ рию быстрых электронов в веществе представляют в виде лома­ ных линий, прямолинейные участки которых соответствуют эта­ пам неупругих взаимодействий, на которых электроны расхо­ дуют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов и тор­ мозятся. Точки излома соответствуют упругим рассеяниям с из­ менением направления движения.

Из-за чрезмерно большого количества упругих и неупругих взаимодействий прямое моделирование траекторий электронов на ЭВМ методом Монте-Карло затруднено. Поэтому используют­ ся упрощенные варианты этого метода. Например, сначала „ра­ зыгрывают” длину пробега между рассеяниями на большие углы (при этом число звеньев траектории значительно уменьшается), а затем на каждом участке траекторию делят на несколько де­ сятков малых отрезков, в пределах которых пользуются приб­ лиженным решением кинетического уравнения для „розыгры­ ша” состояний электрона в конце каждого отрезка пробега.

79

Условием достоверности статистических расчетов является выполнение неравенства [68]:

102. . . 103

------- ---------- ,

Pi Pi

где N —количество траекторий, которое требуется „разыграть" на ЭВМ; р/ - вероятность прохожде!шя электрона через /-ый эле­ мент объема. Чем меньше элемент объема и чем больше он уда­ лен от центра первичного электронного пучка, тем меньше р/, а следовательно, должно „разыгрываться” большее количество траекторий. Это накладывает ограничения на приметшость ме­ тода Монте-Карло для вычисления подробюлх и многомерных распределений, в особенности их „хвостов”.

При электронно-лучевом экспонировании резиста конечные результаты облучения определяются не только величиной энер­ гии, выделяющейся в слое за счет торможения электронов па­ дающего пучка, упруго и неупруго отраженных от подложки электронов, но и за счет рентгеновского и ультрафиолетового из­ лучений, генерируемых при взаимодействии электронов с вещест­ вом, миграции экситонов и ионизированных состояний по поли­ мерным цепочкам и между ними, перемещения свободных элек­ тронов и диффузии радикалов. Вследствие этих вторичных эф­ фектов в микрообъемах наблюдается некоторая делокализация первичных возбуждений и распределение концентрации с (г*) радиационно-химических превращений (деструкций полимерных молекул или, наоборот, их поперечных связей) может отличать­ ся от распределения поглощенной электронореэистом энергии [68]. Поэтому для характеристики собственной разрешающей способности электронорезиста пользуются так называемой функцией делокализации первичных возбуждений х ( г , г 0), которая определяет плотность вероятности радиационно-хими­ ческих превращений в точке Т при первичном возбуждении в точке г 0. Для высокоразрешающих электронорезистов функция делокализации должна быть сосредоточена в области очень ма­ лых Iг I - порядка 0,1 мкм и менее.

В субмикронной электронолитографии и при использовании электронорезистпи невысокого разрешения связь между с (г) и плотное!DIO поглощенной энергии Э (г) можно записать в виде

/Я Э Л ) X ( г * - ? в ) ^ о>

80