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 мкм) линии плохо экспонируются

обратнорассеянными электронами по сравнению с широкими, поэтому для их

качественного экспонирования требуется 2-3-кратное увеличение дозы или

большее время проявления.

Близко расположенные элементы получают избыточную дозу из-за обратного

рассеяния от соседних элементов (взаимный эффект близости), что вызывает

сужение неэкспонированных участков. Если берется более тонкая кремниевая

пластина для ослабления обратного рассеяния, то взаимный эффект близости

практически не наблюдается. Вот основные методы ослабления взаимного

эффекта близости:

а) коррекция дозы и размера пятна или применение мембран, протравленных с

обратной стороны;

б) использование многослойного резиста с барьерным слоем из металла и

толщиной чувствительного слоя 0.1-0.2 мкм;

в) использование электронных пучков с энергией 50-100 кэВ;

г) обработка верхнего слоя резиста (толщиной 100 нм), в котором

сформировано изображение, кремний- или металло-держащим мономером и

последующее сухое проявление;

д) использование высококонтрастных резистов.

[pic]

Рис. 12. Распределение плотности поглощенной в резисте энергии и величины,

используемые в определении контраста для ЭЛ-экспонирования.

Для сравнения разрешающей способности фото- и электронно-лучевого

экспонирования Стикел и Лангер предложили вместо МПФ использовать Скс

-контраст краевого спада. В общем случае МПФ определяется как отношение

разности максимальной и минимальной интенсивностей к их сумме. 60 %-ное

значение МПФ принято считать приемлемым для литографического процесса,

допускающего 25 %-ную засветку и соответствующее утоньшение после

проявления областей резиста, не подлежавших экспонированию. Утоньшение

резиста допускается при жидкостном травлении, но не при РИТ, в ходе

которого может быть удалено до 50-% резистной

пленки. 60 %-ное значение МПФ также предполагает использование фоторезиста

с нелинейной характеристикой, обеспечивающей подавление нежелательной

засветки:

Скс=(2/()arctg(W/E)МПФ, (21)

где W/E - наклон спада (рис. 12) от уровня 90 до 10 %.

[pic]

Рис. 13. Краевой контраст для случаев УФ- и ЭЛ-экспонирования 0.5 мкм

резиста на кремниевой пластине.

Для сравнения на (рис. 13) показан зависимости краевого контраста от

ширины линии в случаях экспонирования электронным лучем и УФ излучением

(254 и 400 нм). Для того чтобы ширину краевого спада интенсивности, а,

следовательно, и точность совмещения поддерживать на уровне четверти

минимальной ширины линии, краевой контраст должен быть выше 70 % для

электронно-лучевого и 83 % для оптического экспонирования.

Изображение такого же качества, какое обеспечивается при экспонировании 1

мкм лучом с постоянной или переменной формой сечения, можно получить лишь в

системах экспонирования с когерентным источником ДУФ излучения (с учетом

эффектов стоячих волн).

Для негативных резистов, слабо зависящих от скорости (длительности)

появления, важен только краевой контраст поглощенной энергии; зависимость

скорости проявления R от глубины Z, определяющая в конечном итоге профиль

изображения, для позитивного резиста имеет вид:

dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ). (22)

Первый сомножитель правой части выражения (22) отражает взаимосвязь

скорости растворения и поглощенной энергии E, а второй влияние краевого

распределения E. Лишь при больших дозах, соответствующих максимальным

значениям МПФ, влияние проявителя, зависящее от контраста и нелинейности

резиста, мало. При умеренных же и малых дозах, проявитель существенно

определяет форму профиля проявленного изображения. В случае тонкого резиста

распределение поглощенной энергии можно считать однородным по глубине , но

для резистных пленок толщиной более 1.5 мкм такое допущение неправомерно. В

этом случае необходимо учитывать влияние процесса проявления, поскольку

распределение поглощенной энергии в близи подложки определяет размеры

проявленного элемента изображения. Сочетание низкоконтрастного резиста ((=1-

3) и электронного пучка с крутым краевым спадом интенсивности способно при

умеренных дозах обеспечить такой же профиль изображения, как и

высококонтрастный резист, при условии, что осуществляется очень жесткий

контроль процесса.

[pic]

Рис. 14. МПФ для ЭЛ-экспонирования на тонкой и толстой подложках.

Устранение подложки (рис. 14) позволит избавиться от обратнорассеянных

электронов, поскольку именно они снижают краевой контраст. С другой

стороны, использование тонких резистных слоев, подобных тем, которые

применяются в многослойных резистах, повышают МПФ и увеличивают разрешение

ЭЛ систем. Применение многослойных резистов наиболее приемлемый способ

ослабления эффектов близости и повышения разрешения.

Другие технологические параметры ЭЛ-экспонирования, такие, как энергия

экспонирования (кэВ), толщина резиста, температура сушки и тип проявителя,

могут влиять на разрешающую способность и чувствительность позитивного

резиста. В зависимости от дозы профиль стенок формируемого изображения

может быть пологим или крутым. При больших дозах форма профиля изображения

определяется пространственным распределением поглощенной дозы, тогда как

при малых дозах формируется более пологий профиль, что обусловлено степенью

активности проявителя в экспонированных и неэкспонированных областях.

Поглощение излучения высоких энергий.

Поглощение излучения высоких энергий происходит в результате взаимодействия

падающих лучей с электронами в атомах резиста или при столкновениях ядер в

случае ионно-лучевого экспонирования. Электроны и рентгеновское излучение

теряют энергию под действием фотоэффекта путем возбуждения атомных

электронов. Электроны выбиваются из молекул резиста с кинетической энергией

Е:

E=h(-Q (23)

где Q- энергия связи электрона на его орбитали. Энергия кванта

ионизирующего излучения h( обычно превышает Q.

Электрон выбивается с орбитали с образованием положительного иона:

АВ(АВ++е (24)

При поглощении электронных пучков потери энергии электронов на торможение в

твердом теле описываются соотношением Бете, полученным в приближении

непрерывных потерь:

-dЕ/dS=7.9*104Z/E*ln(2E/j) [кэВ/см] (25),

где Z- средний атомный номер, j- средний потенциал ионизации и S- длина

пробега электрона, которая для обратно рассеянных электронов с энергией > 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.

Страницы: 1, 2, 3