Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Т=3600/[tOH+N(talign+tprealign+tstep+

+texp)], (18)

где N - число шагов для степпера и N=0 для сканера; полное время tOH

включает в себя время: экспозиции (texp); совмещения (talign); шагового

сдвига (tstep); установки (tsetup); предсовмещения на длине волны 435 нм

(tprealign).

Размеры экспонируемого поля определяет число шагов на единицу площади

пластины.

Время экспонирования texp зависит от:

- толщины резиста;

- длины волны излучения лампового источника (;

- коэффициента поглощения резиста;

- толщины остаточного резиста;

- коэффициента отражения подложки;

- наличия усиливающего контраст слоя;

- интенсивности источника.

Процессы пошагового сдвига и совмещения оказывают основное влияние на

производительность степпера. Использование мощных ртутных ламп или лазеров

для метода экспонирования “вспышка на лету” позволит уменьшить время

экспонирования до значений, меньших времени перемещения и совмещения.

Толщина резиста и его коэффициент поглощения также влияют на

производительность проекционной системы. Величина коэффициента поглощения

резиста очень важна, так как определяет разрешение и скорость растворения

резиста. Для уменьшения интерференционных эффектов на поверхность резиста

или под него наносятся противоореольные слои, а также вводятся специальные

примеси к резистам. Однако любые добавки к резистам или нанесение покрытия

неизбежно будут поглощать излучение, и для компенсации эффекта внутренней

фильтрации потребуется увеличение времени экспонирования. Интерференционные

и дифракционные эффекты вызывают модуляцию интенсивности, и, следовательно,

влияют на время экспозиции и ширину воспроизводимых линий. Экспонирование

монохроматическим светом уменьшает дифракции Френеля, но усиливает эффект

стоячих волн, которые возникают, если оптический путь кратен длине световой

волны. В случае печати с зазором подбором зазора можно уменьшить эффект

стоячих волн. Это достигается при следующих условиях:

n2=(n1n3)1/2, (19)

h2=(((n2, (20)

где n1, n2, n3 - показатели преломления резиста вещества, заполняющего

зазор, и подложки; h2 - величина зазора или толщина материала в зазоре.

Однако этот тип искажений гораздо сильнее проявляется при когерентном

освещении.

В методе проекционной печати возможность контроля профиля и ширины

воспроизводимых элементов рисунка фотошаблона определяется характеристиками

проекционной оптики, контрастом резиста, коэффициентом отражения подложки и

глубиной фокуса используемого объектива. Дифракция ведет к тому, что

изображение полосок с промежутком 1.5 мкм подвержены сильному воздействию

взаимного эффекта близости. Изменение профиля падающего пучка сильнее

проявляется в искажении близко расположенных неэкспонируемых промежутков в

позитивном резисте, нежели изолированной линии (рис.10).

[pic]

Рис. 10. Изменение ширины линии в резисте при недо- и переэкспониро-вании.

В изображениях, находящихся вне фокуса из-за ступенчатого рельефа или

искривлений пластины, тоже происходит уменьшение интенсивности

экспонирующего излучения. Расфокусирование (1 мкм соответствует 20%-ым

потерям интенсивности или отклонению ширины линии от требуемого значения на

(2 мкм, в то время как для обеспечения изменения ширины линии в пределах

(0.1 мкм возможное отклонение интенсивности излучения не должно превышать

(5%.

При проекционной печати происходит накопление пыли на поверхности

фотошаблона. Количество пропечатанных дефектов можно уменьшить применением

пленочных покрытий (тонкая пленка полимера), которые дефокусируют

изображение частиц пыли, оказывающихся в этом случае на некотором

расстоянии от поверхности фотошаблона.

Совмещение.

В процессе изготовления ИС на подложке формируются топологические слои,

которые должны последовательно воспроизведены в заданных относительно друг

друга позициях, определяемых разработчиком ИС. Для большинства ИС

требования на допуск при совмещении составляют примерно 1/4 минимального

разрешаемого размера элемента.

Существует два основных метода совмещения: от деленное от проекционного

объектива (глобальное) и совмещение через проекционный объектив

(локальное). Глобальное совмещение включает в себя вращательное и

поступательное совмещение пластины и шаблона. Перепозиционирование

осуществляется с использованием лазерных интерферометров или при помощи

визуального определения положения пластины через контрольный объектив перед

началом экспонирования.

Совмещение зависит от оптических свойств системы, плоскости поверхностей

фотошаблона и подложки, а также вида меток совмещения и способов обработки

сигнала рассовмещения.

Для распознавания и коррекции ошибок совмещения проводят измерения

плоскостности пластин, ширины линий и совмещений, используя нониусы:

1) электрический тест - создаются проводящие слои для образования делителей

напряжения;

2) оптический тест - регистрация интерференционного сдвига. Измеряется

амплитуда дифрагировавшего когерентного света;

3) тест на качество края - регистрация лазерного излучения, отраженного от

края структур;

4) микроскопический тест - при помощи сканирующего электронного микроскопа.

Фотошаблоны.

Процесс изготовления фотошаблонов важен для оптической литографии. В

случае субмикронной оптической литографии с фотошаблоном 1х необходимо

обеспечивать коррекцию размеров окон в сторону уменьшения на 0.5 мкм и

контроль краев хромированных покрытий с точностью (0.005 мкм. В настоящее

время оригинал фотошаблона изготавливается методом ЭЛ-литографии. При

изготовлении непрозрачного слоя фотошаблона могут быть использованы

следующие материалы:

1) серебряная эмульсия;

2) обработанный ионами резист;

3) диазидные полимеры;

4) оксид железа;

5) германий на стекле;

6) хром на стекле;

7) отожженный полиакрилонитрил;

8) оксид европия.

Изготовление рабочих (1х) фотошаблонов осуществляется фото-повторением

промежуточного (10х) фотошаблона на прецизионном координатном столе.

Точность подачи координатного стола чрезвычайно важна для достижения

точного совмещения при фотоповторении. Необходимо отметить также важность

точного совмещения промежуточного фотошаблона для предотвращения разворота

рисунков отдельных кристаллов относительно друг друга на рабочих

фотошаблонах.

Перспективы развития фотолитографии.

Никакие другие системы экспонирования не могут соперничать с оптическими

системами в производительности и высокой стабильности шаблонов. Развитие

техники экспонирования от контактной печати и печати с зазором к

проекционной фотолитографии обусловлено необходимостью снижению износа

шаблонов, ведущего к дефектности, и обеспечения требуемой точности

совмещения. Для того, чтобы снизить себестоимость СБИС с субмикронными

размерами элементов, необходимо увеличить размер рабочего поля степперов,

точность глобального совмещения сканеров и плоскостность поверхностей

пластин после высокотемпературных процессов. Если число разрешаемых

элементов внутри отдельного кристалла (>108) превосходит предел,

определяемый глубиной фокуса, то поле каждого кристалла может быть разбито

на более мелкие подобласти (для компенсации большей числовой апертуры) так,

как это делается в системах пошагового экспонирования. По мере ужесточения

допусков при производстве новых приборов потребуется дальнейшее

совершенствование систем совмещения.

Внутренние и взаимные эффекты близости являются главными проблемами систем

фотолитографии. Дифракционные и интерферен-ционные эффекты искажают

структуры, воспроизводимые поверх уже сформированного рельефа.

Высококонтрастный однослойный ДУФ резист способен значительно улучшить

контроль размеров элементов и ослабить требования на технологические

допуски. Используемый в субмикронной литографии процесс переноса

изображения в поверхностный слой резиста или другого сильнопоглощающего

материала нуждается в дальнейшем совершенствовании. Проблема поверхностного

переноса изображения заключается в том, что нужно сделать толщину

резистного слоя всего несколько нанометров. При этом можно будет

использовать установки экспонирования с низкой оптической МПФ. Резисты,

обладающие высокой чувствительностью (порядка 1 мДж/см2), позволили бы

применять метод экспонирования типа “вспышка на лету” для существенно

меньших полей и поставить производительность процесса в зависимость только

от времени глобального совмещения и шага.

Существует ряд приборов, которые могут быть изготовлены только с помощью УФ

литографии, поскольку применение высокоэнергетичных электронных пучков или

рентгеновских лучей может нанести этим приборам необратимые повреждения.

Фотолитография, как таковая, останется основным инструментом при массовом

производстве СБИС.

Электронно-лучевое экспонирование.

Введение.

В традиционной фотолитографии резисты экспонируются незаряженными фотонами

ультрафиолетового диапазона. Из теории дифракции и практической микроскопии

известно, что разрешение ограниченно длинной волны используемого излучения.

При использовании некоторых видов излучения высокой энергии шаблоны могут

не применятся, что ведет, с одной стороны, к снятию ограничения по

разрешению, с другой к снижению производительности процесса экспонирования

и росту производственных затрат.

[pic]

Рис. 11. Наименьшая воспроизводимая ширина линии : I - дифракционный предел

(зазор 10 мкм); II - дифракционный предел (NA объектива равна 0.4); III -

дифракционный предел (зазор 1 мкм); IV и V - предел рассеяния

фотоэлектронов, теоретические значения и данные эксперимента

соответственно; VI - предел, определяемый обратным рассеянием электронов.

Для волны экспонирующего излучения высокой энергии измеряется сейчас не

нанометрами, а ангстремами. Резистом может служить любой полимер либо

неорганический пленкообразующий. Возможна даже безрезистивная литография,

поскольку неорганические пленки могут быть подвергнуты травлению, испарению

или превращен в полупроводники посредствам ионной имплантации. Энергии

достаточно как для возбуждения атомов, так и для перестройки любых

химических связей. Литографические процессы, применяющие излучения в

диапазоне длин волн короче 100 нм, называется радиолитографией. Цена, за

которую приходится платить за все достоинства радиолитографии - низкая

производительность и соответственно высокая стоимость экспонирования.

Радиационное экспонирование применяется в том случае, если характеристики

систем оптической литографии не удовлетворяют требованием по точности

совмещения и глубины фокуса.

Пространственное разрешение процесса экспонирования ограничивается длиной

волны падающего или обратно рассеянного излучения (рис. 11), поэтому

излучение высокой энергии с длиной волны порядка атомных размеров способно

обеспечить разрешение до 5 нм. Однако на практике предел разрешения

составляет около 50 нм. Если ослабить или совсем устранить обратное

рассеяние, используя кремниевые мембран вместо толстых пластин, то можно

будет изготовить приборы нанометровых размеров.

Литография высоких энергий делится на :

1) проекционную (рентгеновская, ионная, электронная);

2) сканирующую (электронная, ионная).

При экспонировании через шаблон излучение высокой энергии проецируется в

большинстве случаев на поле размером в один кристалл. Несколько кристаллов

можно экспонировать рентгеновским излучением или электронным пучком

некоторых фотокатодных устройств, но только при размере элемента больше 2

мкм. Шаблоны изготавливаются из тяжелых металлов на полупрозрачных

органических или неорганических мембранах. Кроме того, сам шаблон может

служить источником энергии, как, например, фотокатод из TiO2, который при

возбуждении УФ-излучением испускает электроны с энергией 10 кэВ.

Таблица 2. Стимулы развития литографических

установок экспонирования разных типов

|Фотолитография |Высокоэнергетичная литография |

|Хорошо изученные принципы |Гибкость настройки |

|Простые шаблоны |Нанометровое разрешение |

|Берет начало от фотографии |Автоматизированный контроль |

|Умеренная стоимость |Нанометровая точность совмеще-ния |

|Стойкие резисты |Более широкий выбор резистов |

|Отсутствие радиационных |Незаменима при изготовлении |

|повре-ждений |фотошаблонов |

|Хорошая производительность | |

С помощью ЭЛ литографии создаются шаблоны для всех остальных видов

литографии (с УФ, рентгеновским и ионным экспонированием). Не

посредственное ЭЛ экспонирование пластин будет дополнять оптическую

литографию и в будущем станет доминирующим в субмикронной технологии.

В настоящее время существует здоровое соперничество систем пошаговой

проекционной и контактной УФ печати, но, возможно, в ближайшем будущем на

рынке появится установки электронно-лучевого и рентгеновского

экспонирования. Минимальный размер элементов изображения зависит от формы

сечения входного пучка , его энергии и от области простирания обратно

рассеянного излучения.

Характеристики электронно-лучевых установок.

Разрешение зависит, в частности, от распределения интенсивности на краю

луча еще до того, как он поглотится в резисте. Используются два типа

пучков: гауссов пучок круглого сечения и пучок с квадратным или

прямоугольным сечением. Для гауссова пучка пространственное разрешение d

принимается равным ширине распределения интенсивности на полувысоте.

Удовлетворительная точность передачи изображения получается, если величина

d не превосходит по крайне мере 1/5 минимальной ширины линии. Таким

образом, необходимо провести гораздо больше элементарных актов

экспонирования, чем при использовании пучка квадратного сечения. Для такого

пучка минимальная ширина линии рисунка равна размеру квадратного пятна. Для

достижения одинакового разрешения ширина линии краевого спада распределения

интенсивности (от 90 до 10%-ного уровня)должна быть равна полуширине

гауссова луча. Ширина краевого спада квадратного 1,5 мкм луча составляет

примерно 0.2 мкм.

Разрешение r должно превышать толщину резиста t, а точность совмещения

должна быть лучше 1/5 разрешения. Для электронных пучков было достигнуто

совмещение (0.1 мкм. В диапазоне энергий экспонирования 10-30 кэВ основным

фактором, ограничивающим разрешение, является обратное рассеяние электронов

от подложки. Использование гауссовых пучков или недостаточное перекрывание

пятен может быть причиной появления неровностей на краю и размытости

рисунка. С другой стороны, отсутствие обратного рассеяния от соседних

экспонируемых элементов приводит к недоэкспонированию субмикронных

изолированных линий. Узкие ( 1

кэВ может иметь величину порядка несколько микрометров. Поскольку больная

часть падающих электронов остается в подложке, то чувствительность резиста

и форма профиля изображения зависят от материала подложки.

Производительность систем ЭЛ экспонирования.

Наряду с высоким разрешением достигнута приемлемая производитель-ность

систем ЭЛ экспонирования. Важнейшие факторы, определяющие ее, приведены в

табл 2. Стоимость ЭЛ экспонирования одной пластины по сравнению с

оптическими оказывается примерно на порядок выше, что, однако,

оправдывается возможностью перенастройки (поскольку не требуются фото

шаблоны) и в тех случаях, когда для изготовления кристалла ИС необходимо

многократное экспонирование.

Таблица 2. Факторы, определяющие производи-

тельность ЭЛ-экспонирования.

| Сечение луча (круглое, квадратное, переменной формы) |

| Плотность тока луча и его диаметр |

| Чувствительность резиста |

| Коррекция эффектов близости (доза, размер пятен) |

| Ожидание (перемещение и совмещение) |

| Размер кристалла и пластины |

| Плотность топологии |

| Тип сканирования (растровая либо векторная) |

| Нижний предел дозы, определяемый шумами (статический предел дозы) |

Из-за аберраций и электрон-электронных взаимодействий, ток луча приходится

понижать при экспонировании наименьших пятен (рис. 15), что ведет к

увеличению времени экспонирования изображений с субмикронными элементами.

Время экспонирования t определяется выражением:

t=D/I[A/cm2], (23)

где доза D, требующаяся для экспонирования, находится в пределах от 1

мКл/см2 до 1 мкКл/см2.

[pic]

Рис. 15. Зависимость между током электронного пучка и его диаметром.

Время экспонирования единич-ного пятна от нескольких микро-секунд до 0.1 с

типичны для систем с катодами как из вольфрама, так и гексаборида лантана

(плотность тока эмиссии 0.1-50 А/см2). В автоэмиссионных катодах можно

достичь плотность тока 106 А/см2, но они не достаточно стабильны.

Электронно-оптические аберрации и эффекты объемного заряда не позволяют

сфокусировать в пятно нанометрового размера весь ток источника (106 А/см2),

вынуждая экспонировать пятна, площадь которых в 102-104 раз больше.

В пятне как 1 мкм, так и 1 нм размера поддерживается примерно одинаковая

плотность тока (1-100 А/см2) и соответственно требуется приблизительно

равное время экспонирования пятна.

Нанолитография сталкивается со статическими проблемами при формировании

дозы в нанометровом пятне. К примеру, располагая лучем (пятном) диаметром

100 нм, для повышения производительности желательно было бы использовать

более чувствительный резист, а для увеличения разрешения сделать его по

возможности тонким (порядка 100 нм).

Вследствие статической природы явления электронной эмиссии минимальное

число электронов Nm, необходимое для экспонирования пятна, ограничено снизу

пределом допустимого дробового шума (рис. 16) и составляет примерно 200

электронов. Лимитирующая доза определяется выражением

D= Nme/(линейный размер)2 (26)

[pic]

Рис. 16. Статический шумовой предел дозы ЭЛ-экспонирования, необходимой для

формирования элементов нанометровых размеров.

Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно большому

времени экспонирования, если не использовать автоэмиссионные катод либо

резисты способные к усилению изображения, чувстви-тельностью около 0.01

мкКл/см2. К тому же в электронной оптике, схематехнике, в позиционирова-нии

пучка и т.д. существуют фундаментальные физические ограничения на размер

экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле.

Эти факторы наряду с упомянутыми выше требованиями к интенсивности пучка и

его краевому спаду устанавливают производительность на уровне 1-10 пластин

Страницы: 1, 2, 3, 4