литография / 1_1_Литографические методы в нанотехнологии

МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

КРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Основным и, по сути, единственным массовым объектом современных нанотехнологий являются изделия микроэлектроники - полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

В развитии микроэлектроники четко прослеживаются временные циклы, характеризующие ее переход на новый уровень технологии. Наличие таких циклов предсказал еще в 1965 г. один из основателей фирмы Intel Гордон Мур.

Обычно для оценки современного уровня микроэлектронной технологии используют параметры наиболее распространенных микросхем - микропроцессоров и схем памяти. В соответствии с современной версией эмпирического закона Мура функциональные возможности схем памяти (объем или число ячеек памяти) и микропроцессоров (число транзисторов и быстродействие) удваиваются каждые два года.

Количественно уровень технологии микроэлектроники определяется топологической нормой. Этот параметр различается по физическому смыслу для различных изделий микроэлектроники.

Так, до начала 90-х годов самыми передовыми в технологическом плане изделиями были схемы памяти (рис. 1, а). В них адресные и разрядные шины (bit lines, word lines) формируются в виде регулярных структур – решеток (рис. 1, б).

Конструкция современных интегральных схем предусматривает, как правило, многослойную металлизацию. Решетка контактов, непосредственно примыкающие к активным элементам схемы (первый уровень металлизации), имеет минимальный шаг в данной микросхеме (рис. 1, в).

а

Рис. 1. Интегральная схема памяти а - общая топология, б - дорожки адресных шин,

в– металлические контакты первого уровня,

г- линия, промежуток и шаг регулярной структуры

Поэтому полушаг решетки адресных дорожек с контактами первого уровня металлизации традиционно используется в качестве топологической нормы,

характеризующей плотность упаковки элементов на кристалле.

Заметим, что шаг P решетки (pitch) складывается из ширины L дорожки (line) и промежутка S (space) между ними (рис.1, г). В случае, когда L=S, полушаг (half pitch) этой решетки равен ширине дорожки (топологической линии.

Полушаг в полной мере характеризует плотность упаковки элементов регулярной структуры

В структурах в микропроцессоров, технология которых в последние десятилетия развивается ускоренными темпами, в качестве топологической нормы также может использоваться полушаг регулярных структур.

Его уменьшение, например с 180 до 130 нм при сохранении функциональных возможностей микропроцессора уменьшает его площадь на 45% (рис. 2). Дальнейшее уменьшение топологической нормы до 90 нм позволяет в исходных габаритах сформировать двухядерный микропроцессор, а доведя полушаг до 65 нм – еще и уменьшить габариты на со 194 до 125 мм2.

Рис. 3. Критические размеры в МОП транзисторе а - шаг 168 нм и длина затора 40 нм, б – шаг 190 нм и длина затора 25 нм.

Однако в данном случае промежутки в таких структурах обычно существенно превышают размеры отдельных элементов (рис. 3).

Поэтому в производстве микропроцессоров в качестве параметра уровня технологии чаще используют минимальный размер элемента (CD – critical dimension). Им обычно является длина затвора МОП (Металл-Оксид-Полупроводник) транзисторов – на рис. 3 она составляет, соответственно, 40 и 25 нм.

МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ

Микросхемы на основе МОП-транзисторов нашли наиболее широкое применение в устройствах вычислительной техники и мобильных коммуникаций, поэтому в последние десятилетия они развиваются наиболее быстрыми темпами.

Современные микропроцессоры на основе МОП ИС обычно построены на основе комлементарных КМОП структур, т.е. включают пару p-МОП и n-МОП транзисторов

(рис. 4).

Рис. 4. Структура КМОП ИС

Размеры элементов микропроцессоров уже сейчас составляют 45-60 нм, при этом требования к их размерной точности и совмещаемости не превышают единиц нанометров (см. табл. 1)

Таблица 1

Состояние и прогноз развития параметров микропроцессоров

.

Укрупнено в технологическом процессе КМОП ИС с нанометровыми размерами элементов можно ряд важных этапов. К их числу относятся формирование:

изоляции между областями для p- и n- канальных транзисторов,

карманов p- и n- типа,

областей истока, стока и затвора,

контактов к активным областям,

многослойной металлизации.

Все эти этапы реализуются методами микротехнологий, создающими в поверхностном слое пластины области с заданными электро-физическими свойствами. Формируемые области часто имеют габариты в десятки, а толщину – в единицы нанометров.

В связи с этим приведем определение нанотехнологий, предложенное академиком Ю.Д.Третьяковым: «нанотехнологии — это совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется, в первую очередь, наноструктурой, то есть фрагментами структуры размером от 1 до 100 нанометров».

Современные технологии создания КМОП структур вполне соответствуют этому определению. Действительно, размеры элементов структур в горизонтальной плоскости уже сейчас значительно меньше 100 нм, а для формирования функциональных слоев в диапазоне 1-100 нм используются элионные процессы. Эти процессы обеспечивают управляемое воздействие потоками фотонов, электронов, ионов на функциональные слои заготовки и на атомарном и молекулярном уровне реализуют процессы осаждения, травления, легирования материалов.

Таким образом, можно согласиться с мнением ведущих экспертов в этой области о том, что в 21 веке микроэлектроника превратилась в наноэлектронику.

Таким образом, современные микротехнологии являются базой для разработки нантехнологиий, при этом граница между ними практически неразличима.

В общем плане можно констатировать, что микро- и нанотехнологии представляют собой совокупность методов и технических средств (оборудования, инструментов, используемых материалов), применяемых для исследования, разработки и производства сверхминиатюрных приборов и устройств, элементы которых имеют микро- и нанометровые размеры.

Микротехнология (см. рис. 5) включает следующие основные этапы:

формирование на поверхности заготовки тонкого технологического слоя;

создание на поверхности этого слоя защитной маски с локальными окнами;

микрообработку технологического слоя через окна в маске.

Первый этап микротехнологии реализуется методами элионных технологий, позволяющих с помощью электронных, ионных, атомарных и молекулярных потоков создавать на поверхности заготовок проводящие и диэлектрические слои толщиной от нескольких нанометров до единиц микрометров.

Рис. 5 Основные этапы микротехнологии

На втором этапе используется микролитография, которая позволяет локализовать зоны воздействия на заготовку. Для этого на ее поверхность наносится тонкая чувствительная к актиничному излучению полимерная пленка (резист), которая затем экспонируется через шаблон с требуемым рисунком (топологией). При последующем проявлении происходит локальное удаление участков резиста, образуются окна требуемых размеров и формы, через которые возможен доступ к поверхности заготовки (см. рисунок). Окна в резисте, их размеры и профиль, должны отвечать чрезвычайно жестким требованиям, поскольку они определяют качество третьего этапа микротехнологии.

Третий этап — это микрообработка, которая обеспечивает локальное воздействие на заготовку: нанесение материала, легирование поверхности заготовки или ее травление. При микрообработке воздействие обрабатывающей среды ограничивается (локализуется) окнами в резисте. Арсенал современных методов микрообработки весьма широк. Для локального нанесения могут использоваться уже упомянутые методы элионных технологий, например вакуумное напыление, химическое осаждение из паровой фазы, а также гальваническое наращивание.

Локальное легирование проводится методами диффузии из парогазовой смеси или ионным легированием.

Локальное травление (изотропное или анизотропное) выполняется жидкостными травителями или с использованием плазменных методов, создающих требуемый профиль микроструктур.

Важной особенностью микротехнологии является групповой метод обработки — за один цикл экспонирования формируются миллионы окон в пределаходного модуля на заготовке, а затем также одновременно через эти окна заготовка подвергается микрообработке.

Микротехнологии доведены до промышленного уровня, разработаны научнотехнологические основы производства микроструктур на основе групповой прецизионной обработки. В последнее время микротехнологии стали основой для массового производства изделий микроэлектроники с нанометровыми размерами, все более смыкаясь с нанотехнологиями.

Уменьшение размеров элементов структур до нанометров может дать не только количественное, но и качественное изменение изделий — их конструкции и параметров.

Как микро-, так и нанотехнологии основываются на совершенно иных принципах, нежели технологии, имеющие дело с макротелами. Так, при обработке микроизделий функции инструмента выполняют частицы — электроны, ионы, атомы и молекулы участвующих в процессе веществ. В качестве среды обработки часто используют вакуум, парогазовые смеси, растворы реактивов. Обработка часто ведется при высокой температуре, которая должна поддерживаться с очень высокой точностью.

По этой причине микро- и нанотехнологии строятся на основе применения в производстве современных достижений фундаментальных наук.

МИКРО- И НАНОЛИТОГРАФИЯ

Сущность и основные этапы микролитографии

Микролитография, выполняя роль универсального метода локализации групповой микрообработки, является ключевым процессом микротехнологии.

В зависимости от длины волны применяемого актиничного излучения микролитография может быть реализована в виде фото -, рентгено- и электроноили ионолитографии.

Независимо от разновидности процесс микролитографии включает следующие основные этапы (рис. ):

нанесение чувствительной к излучению полимерной пленки (резиста) на заготовку (пластину, подложку),

экспонирование резиста через шаблон актиничным излучением. В результате этого в слое резиста образуется скрытое изображение рисунка шаблона.

проявление, т.е. превращение скрытого изображения в рельеф в фоторезисте. В

зависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляются экспонированные или неэкспонированные участки резиста.

После сушки проявленного слоя проводится измерение и контроль размеров элементов, точности их совмещения с элементами предыдущих слоев и ряда других параметров. Далее подложка подвергается дальнейшим операциям микрообработки: травлению, гальваническому наращиванию или ряду других.

После завершения этих операций фоторезист удаляют.

Таким образом, процесс микролитографии основан на изменении свойств резиста при экспонировании его соответствующим излучением. Формирование микрорельефа в резисте осуществляется поэтапно (рис. 1).

Рис. 6. Основные этапы микролитографии на примере фотолитографии

При экспонировании актиничное излучение проходит через фотошаблон и оптическую систему, при этом формирующийся на поверхности фоторезиста профиль распределения интенсивности пространственного изображения может существенно отличаться от заданного на фотошаблоне.

Излучение, которые вызывают необратимые химические изменения и приводят к образованию скрытого изображения в виде участков с модифицированными свойствами.

При проявлении происходит поверхностное растворение, т. е. локальное удаление участков резиста и образование микрорельефа.

Таким образом, в процессе микролитографии можно выделить следующие этапы, основанные на принципиально различающихся физико-химических явлениях (рис.7):

формирование пространственного оптического изображения;

деструкцию резиста;

проявление резиста.

Фоторезисты

Фоторезисты должны иметь высокую чувствительность к излучению и разрешающую способность, быть устойчивыми к воздействию агрессивных кислотных травителей, обладать хорошей адгезией к подложке, пленкообразующими свойствами.

Основным свойством фоторезистов является то, что в них под действием излучения определенной длины волны происходят необратимые изменения в облученных участках – они резко меняют растворимость в соответствующих проявителях.

Различают позитивные и негативные Фоторезисты.

В негативных фоторезистах облученные участки за счет фотополимеризации

Рис. 7. Этапы формирования микрорельефа в резисте

становятся стойкими к воздействию проявителя. В отличие от необлученных участков, они остаются на подложке при проявлении (рис. 6, а).

Впозитивных фоторезистах облученные участки за счет фотодеструкции удаляются в проявителях, а необлученные остаются на подложке и образуют фоторезистивную маску (рис. 6, б).

Основой всех фоторезистов служат полимерные материалы, обладающие хорошими пленкообразующими и адгезионными свойствами. Молекулярный вес применяемых полимеров обычно составляет от нескольких тысяч до сотен тысяч молекулярных единиц массы.

Для получения жидких фоторезистов полимеры смешивают с легко испаряющимся растворителем до получения требуемой вязкости, необходимой для получения очень тонких (до 0,2 мкм) пленок при центрифугировании.

Вряд случаев, например в технологии печатных плат, применяют сухие пленочные Фоторезисты, как правило - негативные. Эти Фоторезисты выполнены в виде многослойной пленки, в которой слой клейкой фотополимеризующейся смеси покрыт сверху пленкой майлара, а снизу изолирован пленкой полиолефина (см. описание лабораторных работ). Светочувствительный слой экспонируется через майлар, предохраняющий его от повреждений при контакте с фотошаблоном и изолирующий его от наружного кислорода.

Взависимости от назначения процесса фотолитографии и типа применяемого фоторезиста его толщина может составлять от 0,2 мкм в технологии интегральных схем до 50 мкм в производстве печатных плат.

Независимо от толщины фоторезиста допуск на разнотолщинность слоя обычно составляет около 10% от номинальной толщины.

Существует ряд методов нанесения слоя фоторезиста. Для жидкого фоторезиста это центрифугирование, распыление, окунание, полив, электростатическое распыление.

Сухой пленочный фоторезист, повсеместно применяемый в технологии печатных плат, наносится ламинированием.

Фотохимические реакции и параметры процесса экспонирования

Фотохимические реакции подчиняются нескольким фундаментальным законам, важнейший из которых, закон Дреппера-Гроттуса (Draper-Grotthus) гласит, что взаимодействие между излучением и материей возможно только в том случае, когда излучение поглощается этой материей. В противном случае, излучение отражается, пропускается, или рассеивается.

Согласно второму закону, известному под названием закона Бунзена-Роско (Bunsen-Roscoe) или закона взаимозаместимости, количество продуктов фотохимической реакции пропорционально произведению плотности потока излучения и времени облучения. Это произведение называется дозой или экспозицией.

Применительно к светочувствительным материалам закон взаимозаместимости утверждает, что одна и та же полученная экспозиция E=I·t оказывает одно и то же воздействие на материал, какими бы ни были E и t.

Кроме того, в фотолитографии воздействие зависит в большей степени от дозы, нежели от интенсивности света. Одна и та же доза (с тем же самым воздействием) может быть получена за счет высокой интенсивности за короткое время, либо за счет низкой интенсивности за длительное время.

Поглощенное ультрафиолетовое излучение может разрывать или изменять химические связи в молекуле, либо создавать связи между двумя или более молекулами. Поглощенное инфракрасное излучение возбуждает молекулы, вызывая

фотофизическую реакцию. Такой тип поглощения ведет к рассеянию тепла в поглощающей материи, возникает эффект разогрева.

Основными параметрами процесса экспонирования являются:

Интенсивность излучения (I)– энергия светового потока, падающего на поверхность фоторезиста в единицу времени (мВт/см2).

Экспозиция (Е) – доза актиничной световой энергии, воздействующая на слой фоторезиста в процессе экспонирования: E=I·t (мДж/см2). Заметим, что 1 мВт·1с=1 мДж.

Пороговая экспозиция (Е0) – минимальная доза световой энергии, вызывающая изменение свойств пленки фоторезиста на всю толщину.

излучение, определяется как величина, обратная дозе излучения, необходимой для проявления слоя определенной толщины.

Кроме перечисленных, к числу основных параметров фоторезиста относится также контраст. Для позитивного фоторезиста этот параметр определяется относительной разницей между экспозицией E1, после которой фоторезист начинает проявляться, и экспозицией E0, получив которую фоторезист проявляется полностью, на всю толщину пленки.

По мере увеличения экспозиции толщина слоя фоторезиста, остающегося после проявления, уменьшается (рис. 8, а). Зависимость, связывающая остаточную толщину этого слоя с величиной экспозиции (обычно ее логарифмом) называется характеристической кривой (рис. 8, а).

Наклон касательной к нормированной характеристической кривой используют для количественной оценки контраста (рис. 8, б):

где E1 - доза начала проявление фоторезиста, E0 - доза полного проявления фоторезиста

Контраст фоторезиста является количественным показателем того, насколько хорошо он преобразует размытое пространственное изображение в четкий микрорельеф. Обычно контраст позитивных резистов составляет 2...3. В этом случае экспозиция E0

в101/3 - 102/3 больше, чем E1.

Вмикролитографии контраст (модуляция) оптического изображения совместно с контрастом фоторезиста существенно влияют на разрешение всего литографического

Рис. 8. Характеристическая кривая позитивного фоторезиста а - экспериментальные значения, б - нормированная кривая

процесса. Изображения с высоким оптическим контрастом имеют меньший клин проявления.

Позитивные фоторезисты.

Позитивные фоторезисты, наиболее широко применяющиеся в прецизионной фотолитографии, обычно состоят из трех компонентов: базового полимера, светочувствительной составляющей (ингибитора), легко испаряющегося растворителя.

Основой фоторезиста является пленкообразующий базовый полимер, чаще всего из группы фенолформальдегидных смол - новолак или резол. Эти полимеры растворимы в щелочах, обладают кислотостойкостью и способностью к образованию пленок.

Базовый полимер в чистом виде умеренно растворяется в щелочных проявителях со скоростью 10 -15 нм/с.

Следует особо выделить роль светочувствительной составляющей, которая при добавлении ее в базовый полимер (до 20-30% от веса фоторезиста) уменьшает скорость проявления неэкспонированной пленки фоторезиста до 0,1-0,2 нм/с. Поэтому светочувствительную составляющую часто называют ингибитором (замедлителем), подчеркивая его роль как вещества, препятствующего растворению неэкспонированного фоторезиста. В качестве ингибитора чаще всего используют нафтохинодиазиды (НХД). Отметим, что полимеры вводят в фоторезист двумя путями: в составе сложного эфира со светочувствительными нафтохинодиазидами и отдельно в виде компонента раствора.

Поэтому молекула НХД позитивного фоторезиста имеет строение R1 O R2 , где

R1 и R2 - светочувствительная и полимерная составляющая эфира (рис. 9).