Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

| Категория реферата: Рефераты по технологии
| Теги реферата: сестринские рефераты, сочинение 7
| Добавил(а) на сайт: Башкатов.

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:

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.