Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ МОСКОВСКОГО

ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ Н.И. БАУМАНА

Р Е Ф Е Р А Т

по НИРС

ЛИТОГРАФИЯ ВЫСОКОГО

РАЗРЕШЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Выполнил : Тимофеев А.

гр. ФТМ-61

Руководитель: Головатый Ю.П.

г. Калуга, 1996 г.

Содержание.

стр.

1. Фотолитография. 3

1.1 Ведение. 3

1.2 Основы оптики. 5

1.3 Контактная печать и печать с зазором. 8

1.4 Проекционная печать. 10

1.5 Совмещение. 12

1.6 Фотошаблоны. 13

1.7 Перспективы развития фотолитографии. 14

2. Электронно-лучевое экспонирование. 15

2.1 Введение. 15

2.2 Характеристики электронно-лучевых установок. 17

2.3 Поглощение излучения высоких энергий. 20

2.4 Производительность систем ЭЛ экспонирования. 20

2.5 Радиационные резисты. 22

2.6 Оборудование для ЭЛ экспонирования. 23

2.7 Совмещение. 27

2.8 Эффекты близости. 28

2.9 Радиационные повреждения приборов. 30

2.10 Перспективы. 31

3. Рентгеновское и ионно-лучевое экспонирование. 31

3.1 Рентгеновское излучение. 31

3.2 Ионные пучки. 33

4. Заключение. 35

5. Список литературы. 38

Фотолитография.

Введение.

Оптическая литография объединяет в себе такие области науки, как оптика,

механика и фотохимия. При любом типе печати ухудшается резкость края (рис.

1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведет к уменьшению крутизны

края, поэтому нужен специальный резист, в котором под воздействием

синусоидально модулированной интенсивности пучка будет формироваться

прямоугольная маска для последующего переноса изображения травлением или

взрывной литографией.

Если две щели размещены на некотором расстоянии друг от друга, то

неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:

1) дифракция;

2) глубина фокуса объектива;

3) низкоконтрастный резист;

4) стоячие волны (отражение от подложки);

5) преломление света в резисте.

[pic]

Рис. 1. Профили распределения интенсивности в изображения для случаев

контактной печати, печати с зазором и проекционной литографии.

Изображение неточечного источника в фокальной плоскости идеального

объектива никогда не бывает истинной точкой, а распределяется в

дифракционную картину диска Эйри. Таким образом, неэкспонируемый промежуток

частично экспонируется дифрагировавшим и отраженным от подложки излучением.

Из-за ограниченной селективности последующего процесса сухого травления

резиста и подложки требуется получение рисунка с круглым профилем в

относительно толстой

пленке. Вследствие внутреннего эффекта близости (дифракционные потери)

изолированные экспонируемые линии облучаются недостаточно и должны

экспонироваться с большей дозой (ведет к искажению изображений линий

размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размером менее 3 мкм)

или проявляться с потерей толщины резиста в неэкспонируемых промежутках.

Таким образом, задача фотолитографии заключается в том, чтобы обеспечить

совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунок фотошаблона с

точностью в пределах (15% от номинального размера его элементов и с 5%-ным

допуском на требуемый наклон краев. Послойное совмещение приборных структур

должно осуществляться с точностью не хуже (25% от размера минимального

элемента. Оценка влияния проекционной оптики и системы совмещения

определяется суммой среднеквадратичных ошибок переноса изображения и

совмещения. Ширина минимально воспроизводимых линий при этом считается

равной 4-кратной точности совмещения.

Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают

как точечными (лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр

излучения этих источников лежит в трех основных спектральных диапазонах:

- Дальний УФ от 100 до 200-300 нм;

- Средний УФ 300-360 нм;

- Ближний УФ от 360-450.

Существует 3 типа фотолитографических устройств:

1) теневого экспонирования;

2) проекционные с преломляющей оптикой;

3) проекционные с отражательной оптикой.

При теневом экспонировании шаблон, выполненный в масштабе 1: 1, находится в

физическом контакте с подложкой или отдален от нее на несколько микрометров

в случае печати с зазором. Главными недостатками контактной печати являются

повреждения шаблона и ограниченная совместимость.

В проекционных системах используются линзы или зеркала, позволяющие

проецировать рисунок фотошаблона (масштаб 10:1, 5:1 или 1:1) на квадратное

поле (20х20) или полоску (1,5 мм), которая затем сканируется по пластине.

В стандартной проекционной системе, осуществляющей перенос изображения,

фокус объектива (f) является функцией диаметра его входного зрачка (D).

Числовая апертура объектива (NA) в среде с показателем преломления n

определяется как

NA=n sin (= D / 2f. (1)

Разрешение (W) объектива, определяемое для двух непрозрачных объектов,

которые едва различимы в диске Эйри, согласно критерию Рэлея, равно

W=K ( / NA (2).

Практическим разрешением считается 3- кратное значение разрешения,

определенного по Рэлею, на длине волны экспонирования ( :

W=1.83 ( / NA (3).

Таким образом, разрешение улучшается при использовании более

коротковолнового экспонирующего излучения (ДУФ) и объектива с большей

числовой апертурой (за счет уменьшения размера экспонируемого поля). К

сожалению, глубина фокуса (DF) также уменьшается с ростом NA, и определение

место положения каждого кристалла требует дополнительного фокусирования:

DF=(( / 2 ( NA )2. (4)

[pic]

Рис. 2. Зависимость числовой апертуры объектива от размера поля

изображения.

Для объектива с числовой апертурой NA=0.35 при экспонировании на длине

волны 300 нм глубина фокуса DF составляет менее 1.5 мкм. В этом случае

неплоскостность пластин, неровный топографический рельеф, а также сама

толщина резиста могут привести к невозможности получения субмикронных

структур. Увеличение апертуры, к сожалению, ведет к уменьшению поля

изображения, в этом случае за одну экспозицию возможно формирование лишь

одного кристалла (рис. 2).

Основы оптики.

Размер скрытого изображения и величина краевого градиента резистных

профилей ограничивается следующими основными физическими свойствами света:

1) когерентность;

2) дифракция;

3)интерференция;

4) астигматизм;

5) хроматические аберрации.

В случае когерентного излучения цуги световых волн распространяются так,

что их гребни и впадины согласованы по фазе друг с другом.

Монохроматические световые волны, распространяющиеся случайным образом так,

что их гребни и впадины не сфазированы (частично сфазированы), называют

некогерентным (частично когерентным) светом.

Если освещение изменяется от когерентного к частично когерентному, то

контраст в передаваемом объективом изображении, эффективное разрешение и

глубина фокуса изображения уменьшаются. В проекционной системе с

осветителем келеровского типа источник экспонирующего излучения

проецируется во входной зрачок проекционного объектива и это изображение

становится эффективным размером источника. Если размер источника во входном

зрачке увеличивается, то в случае протяженного источника фазовая корреляция

излучения в плоскости объекта ослабевает, а дифракционные порядки идущего

от предмета света увеличиваются в размере (рис.3).

[pic]

Рис. 3. Частично когерентное освещение и результирующее распределение

интенсивности. Дифракционные порядки рассеянного на объекте света

увеличиваются в размере.

Техническое определение разрешающей способности объектива исходит из

возможности объектива разрешать последовательность одинаковых прозрачных и

непрозрачных полос (дифракционную решетку). Модуляционная передаточная

функция (МПФ) выражает связь между объектом М1 и изображением М2:

МПФ=М1 / М2=( Макс - Мин) /

( Макс+Мин ). (5)

Коль скоро МПФ объектива определена, то могут быть сделаны предположения

относительно размера функции рассеяния точки (диска Эйри),

контроля ширины линии и чувствительности к условиям экспозиции. Модуляция в

60% соответствует Iмакс=80% и Iмин=20% интенсивности света, пропущенного

дифракционными элементами объектива (рис.4). При минимальной МПФ (0.60

допускается 20%-ое недоэкспонирование резиста. МПФ проекционной системы,

имеющий дифракционные ограничения и некогерентный источник, идентично

преобразованию Фурье круглого входного зрачка объектива:

МПФ= 2 / ( [ ( f / 2 fc - f / ( fc )(1 - ( f / 2 fc )2 )1/2] . (6)

где fc - (когерентная) пространственная частота отсечки:

fc=[М / ( 1 + M ) ] 1 / ( ( tg arcsin NA), (7)

где М - увеличение системы, ( - длина световой волны.

[pic]

Рис. 4. Модуляционная передаточная функция.

Толщина резиста учитывается посредством усреднения МПФ системы в фокусе на

поверхности резиста (t=0) и вне фокуса на дне резиста (t). Дефокусировка

рассматривается как аберрация. Дефокусированная МПФ есть произведение

сфокусированной МПФ и фурье-преобразования диска Эйри:

F( f )=( 1 / ( R f ) J ( 2 ( R f ), (8)

где R- радиус диска, J- функция Бесселя первого порядка. Таким

образом, для резиста заданной толщины t (рис.5):

МПФt=[(1+F)/2]МПФ0. (9)

МПФ оптических приборов резко спадает на пространственной частоте, которая

ограничивает диапазон пространственных частот изображаемого предмета. При

увеличении NA и уменьшении ( улучшается качество передачи изображения (рис.

6). Расфокусировка может рассматриваться как аберрация. Таким образом,

использование тонких пленок в многослойном резисте или резисте с

поверхностным переносом изображения позволяет увеличить разрешение,

особенно в случае близко расположенных линий или элементов.

[pic]

Рис. 5. МПФ при толщине резиста: 0.4 (А), 0.8 (В) и 1.2мкм (С).

Рис. 6. Зависимость МПФ от числовой апертуры.

При моделировании реальных резистных профилей неравномерность распределения

интенсивности по краю пучка, взаимодействие проявителя с резистом

(контраст) и МПФоб. оптической системы учитываются в следующем

дифференциальном выражении для изменения ширины линии:

((((((((y/(E)((E/(x), (10)

где E - поглощенная резистом энергия. В случае слабопоглащающего резиста и

слабо отражающей подложки первый сомножитель зависит от свойств конкретного

резиста и процесса его обработки, а второй - только от свойств оптической

системы. Величина (E/(x характеризует распределение интенсивности в

изображении и зависит от длины волны экспонирования (, числовой апертуры

NA, отклонения ((z) положения плоскости резиста от фокальной плоскости и

однородности освещения:

(E/(x((2NA/()[1-k((z(NA)2/()]2. (11)

Параметр k равен единице или слегка отличается от нее для различных

степеней частичной когерентности освещения. Контраст позитивного резиста

определяется из выражения

(=[lg(E0/ E1)]-1, (12)

где E1 - энергия экспозиции, ниже которой не происходит удаления резиста в

проявителе, E0 - энергия экспозиции, при которой резист полностью удаляется

при проявлении. Обычно E1 не зависит от толщины резиста t, в то время как

значение E0 на глубине t зависит от поглощения в слое резиста толщиной t

(E0(10((t). С учетом этих предположений

(=((+(t)-1, (13)

где ( - постоянная, ( - коэффициент поглощения резиста. При (=0.4

поглощение в резистной пленке однородно, а ((2.5. Сомножитель, зависящий от

процесса обработки резиста, в этом случае равен

(y/(E=(/ E0. (14)

Изменение профиля резиста в определенных выше параметрах описывается

следующим образом:

(y/(x=[NA/((((+(t) E0)][1-k((z(NA)2/()]2. (15)

[pic]

Рис. 7. Влияние длины волны экспонирующего излу-

чения на разрешение для сканера с отражательной

оптикой : когерентность 75% , оптическая сила

объектива F/3.

Из (рис.7) видно, что использование высококонтрастных резистов с низким

поглощением допускает больший произвол в выборе энергии экспозиции и

большие вариации во времени интенсивности выходного излучения. Кроме того,

моделирование двух объективов с разными NA дает более высокий краевой

градиент и большие допуски на процесс проявления для систем с большей NA.

Нерастворимость негативных резистов убывает с глубиной, поэтому их обычно

переэкспонируют для обеспечения достаточной адгезии подложки.

Контактная печать и печать с зазором.

В принципе сколь угодно высокое разрешение может быть получено при

физическом контакте шаблона и подложки, а также методом прямого

молекулярного осаждения. Однако на практике молекулярный контакт трудно

осуществить, а шаблон после десятка проходов при совмещении и печати

повреждается. Перемещения и шаблона, и пластины в процессе совмещения

вызывают ошибки оператора и ограничивают точность совмещения примерно до (1

мкм. На ранних этапах развития литографии контактная печать служила

основным методом для получения изображений с размерами 3-10 мкм. Поскольку

для жидкостного травления важен не профиль изображения в резисте, а его

ширина, уход размеров в пределах (1 мкм при жидкостном проявлении совместим

с отклонениями (1 мкм при печати.

МПФ контактной печати очень высока ((0.8), и при использовании

соответствующего контактного шаблона или двухслойных резистов могут быть

получены изображения размером вплоть до 0.1 мкм. При использовании ДУФ-

излучения метод печати с зазором позволяет получать в ПММА рисунки с

шириной лини 1 мкм. Если зазор Z между шаблоном и пластиной превышает

френелевский предел ((5%-ный допуск для интенсивности и 20%-ный допуск для

ширины линии), предельное разрешение W составляет 1-2 мкм для зазора 5-10

мкм:

(((((((

W((0.7 ( Z . (16)

При дальнейшем увеличении зазора в изображении появляются вторые и третьи

дифракционные порядки и результирующий профиль оказывается сужающимся

книзу.

Близко расположенные линии при контактной печати или печати с зазором

расплываются из-за конструктивной интерференции между волнами,

дифрагировавшими на соответствующих отверстиях. Однако если на одно из

соседних отверстий шаблона нанесено покрытие, изменяющее фазу проходящего

через него излучения на 1800, то при толщине этого покрытия

t=((2n-1) (17)

между световыми потоками от различных отверстий

происходит деструктивная интерференция.

[pic]

Рис. 8. Изменение ширины линии в зависимости от величины зазора при печати

с зазором.

Она минимизирует дифрак-ционные эффекты и позволяет работать с двое

большими зазорами. Максимальным удалением шаблона от пластины (или

предельным размером посторонней частицы между шаблоном и резистом) является

удаление при котором искажение изображения не превышает 10% (рис.8).

Использование более коротковолнового излучения в контактной печати и печати

с зазором также позволяет работать с большими зазорами. Круглые отверстия

воспроизводятся лучше, чем прямоугольные фигуры, в которых наблюдается

закругление углов вследствие внутреннего эффекта близости.

Благодаря дифракции дефекты в виде точечных проколов не воспроизводится.

Использование негативных фоторезистов в методе печати с зазором затруднено

тем, что интенсивность дифрагировавшего на шаблоне света уменьшается при

его распространении за шаблоном, и в резисте пропечатываются высокие

порядки дифракции.

Практически метод печати с зазором является компромиссом между разрешением

и себестоимостью интегральных схем за счет частой смены шаблонов (в

контактной печати). Печать с зазором требует прецизионной установки зазора,

должного совмещения и хорошей коллимации пучка.

Главные проблемы контактной печати связаны с неудовлетворительным контактом

шаблон - пластина и накоплением дефектов. Плохой контакт между шаблоном и

пластиной может быть вызван линейным или нелинейным искривлением пластины

после нанесения эпитаксиальных слоев, частицами загрязнений или краевым

валиком резистной пленки, образующимся при центрифуговании.

Проекционная печать.

В сканирующих системах (сканерах) и устройствах пошагового совмещения

(степперах) используется как отражательная, так и преломляющая оптика. При

сканировании пластина экспонируется последовательностью проходов и

возможностью пересовмещения по локальным меткам в середине пластины

отсутствует. Если в первом поколении степперов перемещение осуществлялось

перемещение на фиксированный шаг без обращения к локальным меткам

совмещения в середине пластины, то в современных степперах проводится

совмещение на каждое поле и достигается согласование по двум координатам,

углу поворота, фокусу и наклону.

Степперы обладают лучшей точностью совмещения, в них используются более

дешевые шаблоны и существующие позитивные резисты, экспонируемые в

спектральном диапазоне 365-435 нм. Однако производительность степперов ниже

производительности оптических сканеров. Главное преимущество степпера 10:1

заключается в уменьшении влияния неточности фотошаблона до несущественных

значений и в более высоком разрешении по сравнению с объективами с 5-

кратным уменьшением. С другой стороны, жертвуя разрешением в системе 5:1,

получаем выигрыш в существенно большем размере поля изображения (рис. 9).

Для кристаллов ИС небольших размеров метод проекционной печати позволяет

воспроизводить элементы в резисте с минимальными размерами вплоть до 0.1

мкм.

[pic]

Рис. 9. Зависимость предельного разре-шения от размера поля изображения для

объективов 10Х и 5Х.

Считая характеристики степпера и сканера одинаковыми при воспроизведении

1,5-мкм линии, запишем выражение для производительности Т такой системы:

Страницы: 1, 2, 3, 4