Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

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

Предыдущая страница реферата | 1 2 3 4 5 | Следующая страница реферата

Совмещение.
Послойное совмещение и совмещение рабочего поля в шаговых повторителях составляют часть проблемы точности совмещения топологий. Проектный допуск на точность совмещения предполагает такое размещение рисунка одного слоя приборной структуры над другим, что в приборе реализуются все его целевые характеристики. Общим для всех экспонирующих систем являются послойное совмещение и контроль ширины линии.
Метки для ЭЛ совмещения обычно изготавливаются в виде канавок или выступов в кремнии, а для повышения уровня сигнала обратнорассеянных электронов - из металлов большой атомной массы. В момент прохождения электронного луча над меткой регистрируется изменение количество обратнорассеянных электронов и размеры поля сканирования корректируются до полного совпадения с размерами кристалла. Сигнал совмещения сильно зависит от характеристик подложки, энергии электронного луча, композиции резиста и рельефа резистного покрытия над меткой.
В качестве детекторов могут использоваться микроканальные умножители, сцинцилляторы или диффузионные диоды; важно удовлетворить следующим требованиям:
1) чувствительность и точное позиционирование;
2) рассеяние и вобуляция луча должны быть меньше, чем размеры метки совмещения;
3) согласование размера и формы меток с толщиной резиста;
4) применение корректора данных с высоким отношением сигнал/ шум и петлей обратной связи, позволяющего менять поле сканирования для точного совмещения с кристаллом.

Эффекты близости.
Эффекты близости - основная проблема ЭЛ литографии. При энергии луча 25 кэВ и диаметре 1 мкм полуширина области обратного рассеивания электронов составляет 5 мкм, а при энергии 50 кэВ достигает 15 мкм. Длина пробега в обратном рассеянии пропорциональна Е1.7, где Е- энергия электронов падающего луча. Эффекты близости приводят к нежелательному экспонированию областей, в которые луч непосредственно не направлялся. В зависимости от отсутствия или наличия ближайших “соседей” наблюдается соответственно внутренний или взаимный эффект близости. Внутренний эффект близости, обусловленный обратным рассеянием электронов за пределы непосредственно экспонируемой области, приводит к тому, что уединенные мелкие элементы топологии приходится экспонировать с дозой Q, заметно большей Q0, необходимой для больших фигур.
Если экспонировать линии шириной 0.5 мкм и 2 мкм в одинаковых условиях, то первая из них проявится лишь частично, что невозможно исправить даже ценой перепроявления второй линии. Линия шириной 0.5 мкм требует примерно вдвое большей дозы, чем 2 мкм линия, если необходимо соблюсти одинаковую величину ухода размеров элементов и степень утоньшения неэкспонированных областей резиста. Внутренний эффект близости обусловлен снижением вклада в экспозицию обратнорассеянных из глубины подложки электронов и меньшим поглощением резистом энергии впередрассеянных электронов, поскольку их энергия еще велика. Если энергия электронного пучка мала (1-10 кэВ), то экспонирование ведется преимущественно впередрассеянными электронами и размытие изображения минимально, но при высоких энергиях доминирует экспонирование обратнорассеянными электронами.
Если подложка изготовлена не из кремния или на кремний нанесены пленки тяжелых металлов, например, золота или вольфрама, то экспозиция окрестности пятна увеличивается. Это объясняется большим коэффициентом обратного рассеяния электронов, присущим подложкам с большей атомной массой.
Соответственно, увеличивается доза, полученная резистом (кажущееся увеличение чувствительности), и частично компенсируется внутренний эффект близости. В резисте при дозе, вдвое большей нормальной используя эффекты обратного рассеяния, можно получить профили с отрицательным наклоном, пригодные для взрывной литографии.
Для компенсации внутреннего эффекта близости должна быть задана избыточная доза (и, следовательно, большее время экспонирования). Чем толще резист, тем больше доза, необходимая для уменьшения ухода размеров (возникающего при попытке скомпенсировать недоэкспонирование перепроявлением). Чем тоньше резист, ем слабее внутренний эффект близости, что наблюдается, например, в многослойных резистах.
Другой вид эффекта близости - взаимный - заключается в экспонировании ближайшими соседями друг друга и пространства между ними. Неэкспонированные области между линиями засвечиваются обратнорассеянными электронами.
Взаимный эффект близости вызывает утоньшение непосредственно неэкспонированных областей позитивных резистов. В негативных резистах неэкспонированные области заполняются остатками резиста.
Особенности ЭЛ-экспонирования электронами высокой энергии (50-100 кэВ) обусловлены главным образом боковым размытием распределения обратнорассеянных электронов на границе раздела резиста и кремниевой подложки. В частности, это приводит к тому, что не подлежащий экспонированию малый островок внутри большой экспонируемой области все равно подвергается сильному фоновому экспонированию обратнорассеянными электронами из окружающей области. Фоновое экспонирование приводит к утоньшению резистной пленки в этих островках и в конечном итоге к их исчезновению (вымыванию). Отношение величины фоновой экспозиции в неэкспонированном острове выражается как (е/((e+1) в соответствии с принципом взаимности, введенным Чангом. Здесь (e - отношение вкладов обратно- и впередрассеянных электронов в энергию, поглощенную резистом. При
(e=1 значение (е/((e+1) составляет 0.5, т.е. величина энергии, поглощенной в малых неэкспонированных областях, вдвое меньше, чем в больших экспонированных. Величина (е/((e+1) зависит от ускоряющего напряжения, поскольку от него зависит (e, однако эта связь еще недостаточно хорошо исследована.
Существенное ослабление влияния эффектов обратного рассеивания особенно в нанометровой литографии в случае применения как позитивных, так и негативных резистов может быть достигнуто при использовании в качестве подложки мембраны в 5-10 раз более тонкой, чем наименьший размер элементов формируемого изображения. Коррекция эффектов близости, которая сводится к разбиению фигур рисунка на части, со своей дозой в каждой, либо к изменению размеров элементов рисунка, для некоторых топологий может быть формализована.
[pic]
Рис. 22. Влияние толщины резиста на величину взаимного эффекта близости в периодической структуре из линий и промежутков шириной 1.0 мкм (кремниевая подложка, позитивный резист, энергия пучка 25 кэВ).
Поскольку проявление эффекта близости возрастает почти прямо пропорционально с толщиной резиста как однослойного, так и многослойного
(рис. 22), то уменьшение толщины ослабляет эффект близости. Многослойные резисты - практическое решение проблемы эффекта близости.

Радиационные повреждения приборов.
Пучки электронов , рентгеновское излучение и ионы высокой энер-гии проникают в активные облас-ти кремниевых приборов на глу-бину 5-10 мкм.
Нарушение работы МОП прибо-ров обусловлено генерацией элект-ронно-дырочных пар, поверхност- ных состояний на границе раздела Si-SiO2 и дополнительными нейтральными ловушками в окисле.
Если положительный заряд оксида и поверхностные состояния на границе раздела Si-SiO2 можно ликвидировать отжигом при температуре от 300 до 450
0С, то от радиционно-индуцированных нейтральных ловушек избавиться таким способом нельзя.
Поскольку степень радиционных повреждений пропорциональна поглощенной дозе, то использование резистов большей чувствительности и пучков низкой энергии
(< 10 кэВ) позволило бы ее снизить. Применение позитивного ЭЛ резиста и удаление металла посредством травления ( а не взрывным способом) на этапе формирования металлизации будет ослаблять прямое облучение критических областей прибора.
Другой проблемой ЭЛ- экспонирования (особенно с кварцевым шаблоном) является нагрев резиста, вызывающий искажение изображения, газовыделение из резиста, загрязняющее катод из LaB6, и появление пузырьков в резисте над метками совмещения, искажающих сигнал совмещения. Степень ЭЛ-нагрева кремниевых и стеклянных подложек зависит от мгновенной мощности пучка, теплопроводности резиста и подложки. Для снижения дозы и уменьшения нагрева нужны чувствительные (1 мкКл/см2) резисты. Нагрев способных к деструкции резистов, таких, как полисульфоны и полиальдегид, может вызвать повышение чувствительности, но всегда с риском появления искажений на углах рисунка и периодических структурах (линия+промежуток) с шагом менее 2 мкм.

Перспективы.
При изготовлении малых партий (большой номенклатуры) заказных логических схем из базового кристалла прямое рисование электронным лучем экономичнее, чем фотопечать через шаблон. Благодаря высокой разрешающей способности ЭЛ- литография будет и дальше использоваться при изготовлении шаблонов для световых, рентгеновских и ионных пучков. Кроме того, точность совмещения на каждом кристалле при ЭЛ-экспонировании составляет (0.1 мкм, что является решающим преимуществом перед всеми остальными видами экспонирования.

Рентгеновское и ионно-лучевое экспонирование.
Рентгеновское излучение.
В простейшем случае в рентгеновской (рис. 23) и ионно-лучевой литографии используется теневой шаблон. Недостатки такой схемы связаны с возникновением полутени, обусловленной размерами (неточностью) источника и зазором между шаблоном и пластиной; аналогичные эффекты наблюдаются при использовании диффузного оптического источника в фотолитографии.
Качественная печать обеспечивается при наличии четырех составляющих:
1) высокоинтенсивного коллимированного источника;
2) механического, электрического, оптического или ЭЛ совмещения шаблона с заданной точностью;
3) прецизионного контроля зазора;
4) недорогого мембранного либо трафаретного шаблона.
Искажение, возникающие при облучении шаблона расходящимся пучком (рис. 23), равно (r/r=(d/l, где l расстояние между шаблоном и источником, (d зазор между пластиной и шаблоном (рис. 24). Субмикронная печать обеспечивается при зазоре шаблон пластина порядка 1 мкм. Искривления пластины, возникающие в ходе многих стандартных технологических процессов, делает такой зазор трудно достижимым.
.
[pic]
Рис. 23. Эффект полутени в рентгеновской теневой печати, обусловленный недостаточной коллимацией пучка,
Ошибки, связанные с зазором, можно отчасти устранить, если перейти к пошаговому экспонированию либо повысить чувствительность резиста до 1 мДж/см2, что позволит удалить источник излучения от пластины. Главные трудности связаны с термостабильностью шаблона, так как нагрев шаблона экспонирующем излучением приводит к изменению размеров элементов в плане и ошибкам совмещения.
Из-за малого поглощения время рентгеновского экспонирования чрезвычайно велико. Первыми шагами к совершенствованию рентгеновской печати (с зазором) является создание:
1) высокочувствительных резистов;
2) интенсивного источника;
3) точной и надежной системы совмещения;
4) прозрачного и стабильного шаблонов.
[pic]
Рис. 24. Зависимость ширины проявленной линии от расстояния между поверхностью резиста и рентгеновским шаблоном.
В рентгеновской литографии шаблон при совмещении помещается над пластиной с зазором 10 мкм для увеличения его срока службы. Поскольку длина волны рентгеновского излучения мала, можно пренебречь дифракционными эффектами и оперировать простыми геометрическими представлениями при формировании рисунка на шаблоне. Непрозрачные участки шаблона затеняют пластину под шаблоном, но край тени получается не совсем резким из-за конечных размеров
(S) источника рентгеновского излучения (диаметр пятна сфокусированных на аноде электронов), находящегося на расстоянии D от шаблона. Если зазор между шаблоном и пластиной обозначить через g, то ширина области полутени равна :

(=g(S/D) (29)
Типичные значения: g=20 мкм, S=3 мм, D=30 см. При этом разрешающая способность определяется (1) шириной области полутени (, (2) минимально возможной шириной линии на шаблоне и (3) контрастностью резиста. В высококонтрастных резистах края изображения могут быть существенно более резкими, чем это задается значением (. При увеличении зазора между шаблоном и пластиной уход размера изображения на пластине и время экспонирования возрастают. Чтобы уменьшить боковые искажения в случае точечного источника, использовался шаблон с наклоненными к его центру поглощающими элементами.
Мощность обычных источников сравнительно мала:

Источники обычного типа 0.1-1.0 мВт/см2

Импульсные 10-100 мВт/см2

Синхротрон 100-1000 мВт/см2
Поскольку в качестве шаблона используется сплошная полупрозрачная мембрана, то, по крайней мере, 50% излучения поглощается шаблоном. Для сбалансированности между контрастностью проходящего пучка и временем экспонирования (интенсивность) лишь малая часть рентгеновского излучения должна проходить сквозь непрозрачные участки шаблона. Минимальный контраст между прозрачным и непрозрачным участками шаблона для экспонирования резиста составляет 4:1 (модуляция 60%). Вторичные электроны, испускаемые поглощающими элементами из золота, могут вызывать “размывание” края изображения. Для ослабления эмиссии вторичных электронов применяется покрытие из полиимида поверх золотого рисунка, поглощающее выбитые фотоэлектроны, иначе уход размера может достигать 0.2-0.4 мкм. При взаимодействии рентгеновского излучения с подложкой вторичные фотоэлектроны, имеющие небольшую длину пробега, рассеиваются в обратном направлении, что может вызывать уширение основания изображения в позитивном резисте.
Для того чтобы рентгеновская литография стала технологичной, нужно решить ряд важных проблем. Для достижения хотя бы минимальной приемлемой производительности 2-5 пластин диаметром 125 мм в час требуется резист с чувствительностью не хуже 1 мДж/ см2 для обычных (возбуждаемых электронным пучком) рентгеновских источников.

Ионные пучки.
Литографическое применение ионных пучков возможно: в установках пошаговой печати; в системах, использующих фокусированные пучки протонов, ионов Si+,
В, Р.
Главным достоинством ионных пучков по сравнению с электронными является малое обратное рассеяние и, следовательно, минимальный эффект близости.
В ионно-лучевой литографии используются шаблоны типа металл на кремний или трафаретные. В случае применения последних произвольный рисунок можно воспроизвести, используя взаимодополняющие трафаретные шаблоны.
Для того чтобы ионная литография могла конкурировать с рентгеновской литографией, необходимо создать компактный источник ионов. Здесь пригодны схемы совмещения, разработанные для установок рентгеновской литографии. Из- за эффектов полутени и коробления пластины следует избегать экспонирования больших областей.
Фокусированные ионные пучки можно использовать для экспонирования резистов, исправления дефектов фотошаблонов, а также в безрезистной литографии и непосредственного травления оксида кремния.
Сущность ионной литографии состоит в экспонировании пластины широким пучком ионов Н+, Не2+ или Ar+ через шаблон из золота на кремниевой мембране или поточечного экспонирования сканирующим пучком из жидкометаллического (Ga) источника. Зазор между шаблоном и пластиной составляет около 20 мкм, но для субмикронных процессов требуется контакт, так как изолированные элементы изображения не могут быть экспонированы через сквозной шаблон, а составные шаблоны разделяются на две взаимодополняющие части.
Поскольку ионы поглощаются в 10-100 раз эффективнее, чем электроны, то и требуется их в 10-100 раз меньше (1010-1012 ионов/cм2 ли 0.01-1 мкКл/см2).
Хорошая корреляция между экспонированием протонами и электронами была продемонстрирована Бро и Миллером. Так как источник протонов может давать пучок с плотностью мощности более 100 мВт/см2 ((1 А(см2), то малое время экспонирования (в микросекундах на кристалл или секундах на пластину) обеспечивает стабильность шаблона и субмикронное совмещение. Изображения с вертикальным профилем края (искажение края профиля (0.1 мкм, обусловленное отклонениями при изготовлении шаблона) могут быть сформированы как в негативных, так и в позитивных резистах. Даже десятикратное переэкспонирование не вызывает изменения ширины линий. Взаимный эффект близости ярко выраженный при ЭЛ-экспонировании, не наблюдается благодаря малости обратного рассеяния протонов.
Сфокусированные ионные пучки для прямого (без шаблона) экспонирования резистов имеют ограниченное применение, так как размер поля экспонирования не превышает 1 мм2. При сканировании ионного пучка его отклонение происходит медленнее по сравнению с электронным пучком, а разрешающая способность объектива (МПФ) оказывается не лучше 1 мкм в кристалле 5(5 мм.
В настоящее время ионные пучки используются в основном для ретуширования фотошаблонов. Другая область применения металлических ионных источников
(таких, как Si или Ga) - имплантация в поверхностный слой ПММА толщиной всего 100 нм. Поскольку ионно-имплантированный резист устойчив к травлению в кислородной плазме, то изображение обращается и переносится в ПММА с помощью РИТ.
При исследовании разрешающей способности позитивных резистов в случае ионно- лучевого экспонирования понятие контрастности ( используется для оценки характеристик скрытого изображения в резисте:

(=dR/dZ=(dR/dE)(dE/dZ) (30)
Первый сомножитель в правой части характеризует скорость проявления пленки, а второй - описывает распределение энергии Е по глубине Z. Хотя боковое рассеяние мало, контрастность ПММА не выше, чем при ЭЛ-экспонировании. Бро и Миллер установили, что (=2.2 как для протонов, поглощенных в ПММА, так и для электронов с энергией 20 кэВ. Пробег вторичных частиц составляет всего около 10 нм для 100-кэВ Н+ и около 500 нм для 20-кэВ электронов.
Дополнительная область применения ионно-лучевого экспонирования - отверждение резистов ДХН и ПММА для реактивного ионного травления или других применений в качестве маски. При ионной имплантации В, Р или As резист со скрытым изображением работает как барьерный слой.
Ионно-лучевое экспонирование является идеальным в том смысле, что для него прямое и обратное рассеяния пренебрежимо малы, а радиационные повреждения в кремниевой подложке практически отсутствуют, так как ионы в основном не проходят сквозь слой резиста. Поскольку ионы очень эффективно передают в резист энергию, то чувствительность резиста не является решающим фактором для производительности, которую в данном случае обеспечивают подбором подходящего высокоинтенсивного источника ионов, термостабильного шаблона и высокой точностью совмещения (( 0.1 мкм).

Заключение.
В табл. 5 приведены результаты сравнения всех типов экспонирующего оборудования и используемых в нем шаблонов. Доминирующим является УФ- экспонирование, за ним следует электронно-лучевое. Для рентгеновского и ионно-лучевого экспонирования необходим еще один этап усовершенствования.
Реально ширина экспонируемой линии примерно в 4 раза превышает точность совмещения.
Если размер элементов рисунка превышает 1 мкм и требуется большой объем производства однотипных изделий, то пригодны 1(-зеркальные сканеры, имеющие высокую производительность и достаточную точность совмещения. Ниже 1-мкм барьера и примерно до 0.6 мкм конкурируют установки пошагового экспонирования с преломляющей оптикой (5(-объектив для экспонирования на длине волны 365 нм) и установки пошагового экспонирования со сканированием.
При изготовлении 1(-шаблонов возникают серьезные проблемы, такие, как дефектность и невозможность выдержать размеры на всей поверхности (250(250 мм) стеклянной пластины. Сделана попытка расширить возможности оптической литографии на диапазон размеров 0.6-0.3 мкм с помощью отражательных установок пошагового ДУФ-экспонирования с 3-5(-уменьшением. Что касается размеров менее 0.3 мкм, то массовое производство схем памяти обеспечивается печатью с зазором с применением либо рентгеновских, либо электронных пучков. Электронные пучки применяются для изготовления традиционных заказных схем и комплектов шаблонов для всех остальных видов экспонирования.

Таблица 5. Сравнение экспонирующего оборудования и соответствующих ему шаблонов и резистов.

| |I |II |III|IV |V |VI |VII|VII|IX |
| | | | | | | | |I | |
|Минимальный размер |1 |2 |3 |4 |4 |5 |4 |3 |3 |
|Регистрация |1 |2 |3 |3 |3 |4 |3 |2 |4 |
|Производительность |4 |5 |3 |3 |2 |1 |1 |1 |3 |
|Стоимость и простота шаблона |2 |2 |3 |4 |4 |3 |1 |1 |1 |
|Чувствительность к рельефу |2 |3 |3 |3 |2 |4 |4 |4 |3 |
|Простота резиста и его |4 |2 |2 |3 |3 |1 |1 |2 |3 |
|стоимость | | | | | | | | | |
|Стоимость оборудования |5 |3 |2 |3 |3 |1 |2 |2 |1 |
|Простота управления |5 |4 |3 |3 |3 |4 |3 |2 |3 |
|Восприимчивость к дефектам |1 |3 |4 |4 |5 |4 |4 |4 |3 |
|Перспективы развития для |1 |2 |4 |3 |3 |5 |3 |2 |2 |
|субмикронной литографии | | | | | | | | | |
|Общий балл |26 |28 |30 |33 |32 |32 |26 |23 |26 |
|Место |4 |3 |2 |1 |1 |1 |4 |5 |4 |

Условные обозначения к табл. 5.

|I |Контакт с зазором |
|II |1/1 УФ-сканер |
|III |4/1 УФ-сканер/степпер |
|IV |5/1 УФ-степпер |
|V |10/1 УФ-степпер |
|VI |Электронный луч |
|VII |Рентгеновское излучение |
|VIII |Ионный луч |
|IX |Электронный пучек с зазором |

Ключем к высокопроизводительной литографии являются высококачественные стойкие шаблоны, которые способны выдерживать термические и механические напряжения. Выбор вида излучения (широкие пучки УФ-излучения, рентгеновского излучения, электронов или ионов) для экспонирования через шаблон, зависит в основном от трех факторов:
1) может ли быть изготовлена маска с резкостью края лучше чем 1/10 воспроизводимого размера;
2) обеспечивается ли достаточная плоскостность шаблона и сохраняются ли она, а также рисунок неизменными во время экспонирования:
3) может ли быть разработана такая схема совмещения, в которой различались бы длины волн экспонирования и совмещения.
Техника изготовления шаблонов даст толчек развитию новых резистов и процессов.
Уменьшение глубины фокуса в оптической литографии требует применения более плоских пластин, автофокусировки и автосовмещения. Для уменьшения ошибок совмещения и фокусировки необходимо применять низкотемпературные процессы, в которых меньше коробление пластин, и планировать конструкцию изготовляемых приборов. Для субмикронной литографии необходимо последовательное совмещение от кристалла к кристаллу. Установки, в которых совмещены принципы сканирования и пошагового экспонирования, будут развиваться исходя из требования на совмещение.
Основными проблемами оптического и ионно-лучевого экспонирования Si-пластин являются многослойные резисты.
Величина К=0.3 в случае записи рисунка в верхний поверхностный слой, 0.5- в верхний промежуточный слой (многослойные резисты), 0.8- во всей толщине однослойной резистной пленки. Основные направления увеличения разрешения заключается в уменьшении толщины чувствительного слоя, по крайней мере, до четверти величины минимального требуемого размера (разрешения).
Производительность любого экспонирующего оборудования лимитирована интенсивностью источника и чувствительностью резиста. При оптическом экспонировании, исключая ДУФ-диапазон, эти величины соответствуют друг другу. Для электронно- и ионно-лучевого экспонирования желательно повысить чувствительность. Особенно это относится к новолачным резистам. Для рентгеновского экспонирования требуются хорошие однослойные пленки резиста, чтобы реализовать возможности получения высокого разрешения и устранить низкую производительность. С помощью рентгеновского экспонирования можно также избежать дополнительных затрат, связанных с внедрением многослойных резистов, требуемых в будущем для оптической и электронно-лучевой литографии.

Список литературы.

1. Александров Ю. М., Валиев К. А., Великов Л. В., Душенков С. Д.,

Махмутов Р. Х., Якименко М. Н. Применение трафаретных шаб- лонов в рентгенолитографии // Микроэлектроника.- 1986.- Т. 15,

№ 1.-С. 66-69.

2. Александров Ю. М., Валиев К. А., Великов Л. В. и др. Рентгено- чувствительные резисты для субмикронной литографии. Микро- электроника,
1983, т. 12, с.3-10.

3. Березин Г. Н., Никитин А. В., Сурис Р. А. Оптические основы контактной фотолитографии.- М.: Радио и связь, 1982.- 104 с.

4. Боков Ю. С. Фото-, электроно- и рентгенорезисты. - М.: Радио и связь, 1982.-136 с.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: quality assurance design patterns системный анализ, бесплатные конспекты, реферат.

Claw.ru | Рефераты по технологии | Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

Категории:

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки

Рефераты от А до Я

Полезные заметки