Технология кремниевой наноэлектроники

широкий спектр размеров элементов, которые можно реализовать данным методом при полной нечувствительности метода к изменению плотности рисунка;

достаточную простоту реализации метода, так как нет сложностей, характерных для оптической литографии, например не нужна коррекция эффекта близости;

высокое разрешение (по крайней мере вплоть до топологической нормы 22 нм);

возможность реализации позитивного и негативного процессов. Данные преимущества обусловливают большой интерес к импринтингу и определяют перспективу его скорого внедрения в про-

мышленность.

5.5.Электронная литография

Воснове электронолитографии лежит избирательное экспонирование чувствительного маскирующего покрытия (электронорезиста) потоком электронов. При достаточной энергии электронов они способны разрывать межатомные связи электронорезиста и создавать тем самым условия для перестройки структуры.

где ћ – постоянная Планка; m, e – масса и заряд электрона; U0 – уско-

ряющее напряжение.

Например, при ускоряющем напряжении 15 кВ длина волны составляет 0,01 нм, т.е. более чем на четыре порядка меньше длины волн УФ-излучения. Поэтому явлениями дифракции в электронолитографии можно пренебречь.

Существует две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком (проекционная литография) и последовательное сканирование отдельных участков рисунка (сканирующая литография).

Применение электронно-лучевой литографии (ЭЛЛ) позволяет решить технические (например, повышение разрешающей способности) и экономические (рост выхода годных структур, снижение затрат на изготовление шаблонов) проблемы, сдерживающие прогресс в микроэлектронике. Такие возможности ЭЛЛ обусловлены тем, что она принципиально отличается от фотолитографии – свободна от дифракции и других ограничений, которые действуют в случае исполь-

61

зования оптических методов. Определенные фундаментальные ограничения существуют и для ЭЛЛ, но пределы разрешающей способности этого метода таковы, что можно на порядок уменьшить минимальную ширину линий. Полное время изготовления шаблона с помощью фотолитографических процессов доходит до 6 недель, что существенно ограничивает освоение производства новых микроэлектронных приборов. Время изготовления шаблонов с помощью ЭЛЛ составляет в зависимости от их сложности от одного до нескольких часов.

Применение электронно-лучевой литографии для изготовления микроэлектронных приборов сводится к созданию маскирующего рельефа резиста на подложке – кремниевой пластине или заготовке шаблона. Этот процесс схематически показан на рис. 5.12.

ЭЛ экспонирование резиста

Топологический рисунок

Рис. 5.12. Последовательность операций электронно-лучевой литографии

В основе метода лежит использование остросфокусированного электронного луча, движением которого по поверхности подложки, включением и выключением управляет процессор. Под действием электронного луча происходит экспонирование резиста. Сформированный из резиста рельеф или топологический рисунок и является пригодной для технологических процессов маской. Например, для образования узких металлических линий резист экспонируют элек-

62

тронным лучом и проявляют. После напыления металла резист растворяют и вместе с ним удаляют излишки металла, оставляя на подложке металлическую линию требуемой ширины. Окна в пленке резиста могут быть использованы для травления подложки ионным пучком или в плазме, а также для селективного ионного внедрения примеси в подложку.

Электронный луч позволяет экспонировать резист на площади 1–40 мм2. Чем выше требуется разрешающая способность, тем меньше должно быть поле сканирования. При диаметре электронного луча 0,1 мкм можно сканировать поле с размерами 2 2 мм. Большие поверхности можно экспонировать с той же разрешающей способностью, прецизионно перемещая подложку на заданное расстояние и повторяя экспонирование для образования того же рисунка на новом участке. Скорость перемещения рабочего столика с подложкой составляет 2–5 см/с. Время совмещения луча с уже существующим на пластине рисунком для одного поля сканирования составляет 0,25–1 с.

Типичный метод экспонирования предусматривает несколько проходов (2–5) остросфокусированным электронным лучом, экспонирующим линию шириной 0,5–1 мкм (см. рис. 5.12). Время перемещения луча от одного элемента разложения до другого составляет 4 мкс. Время обратного хода луча также составляет 4 мкс. Размер элемента разложения соответствует размеру электронного луча, т.е. его диаметру или поперечному сечению. Тогда для экспонирования линии длиной l и шириной b потребуется время t, равное

где n – полное число приходящихся на данный участок (l b) элементов разложения; tопт – оптимальное время экспонирования элемента

разложения; tл – время перемещения луча.

Зная топологию СБИС, можно определить время, которое потребуется для обработки одного кристалла. Если неизвестна топология, то можно площадь кристалла при коэффициенте заполнения 50% разделить на площадь элемента разложения и подсчитать число элементов разложения.

Полное время обработки пластины будет складываться из времени обработки всех линий, имеющихся на кристалле, и количества кристаллов, которые формируются одновременно на стандартной подложке диаметром 76, 100, 150 или 200 мм. При этом надо учитывать время перехода от одного поля сканирования к другому, т.е. скорость перемещения рабочего столика и время совмещения для каждого поля сканирования.

63

ский» диаметр пятна. Таким образом, минимальный диаметр пятна, ограниченный поперечной составляющей тепловой скорости, определяется

но сделать малым. Однако это влечет за собой уменьшение jmax , если не увеличить jк и U0 . Практически повысить можно только jк , поскольку энергия луча ограничивается дополнительными обстоятельствами. Поэтому в ЭЛУ U0 лежит в диапазоне 20–40 кВ.

Для описания электронных пушек принято также пользоваться понятием «яркость». По аналогии с обычной оптикой, яркость источника заряженных частиц B определяется плотностью тока, приходя-

за анодом область постоянного потенциала U, то яркость остается постоянной. Другими словами, яркость луча у мишени будет равна его яркости на выходе из пушки. Через параметры пушки с катодами, работающими при токах насыщения, получается

стереорадиан.

Таким образом, максимально достижимая яркость луча определяется плотностью тока эмиссии катода jк , температурой катода Tк

и ускоряющим напряжением пушки U. С учетом соотношения для яркости (5.11) получаем выражение для диаметра гауссовского луча:

Для получения луча с высокой плотностью тока пушка должна обес-

65

печивать большую яркость. Это означает, что плотность тока у катода (эмиттера) должна быть большой, а площадь эмиттера – малой.

В качестве источников электронов применяют эмиттеры трех типов. Эмиттер из вольфрамовой проволочки нагревается до температуры примерно 2800–3000 К. При этом возникает термоэмиссия элек-

тронов. Плотность тока эмиссии составляет 10 А/ см2 при 3000 К, что соответствует яркости 5 104 А/см2Чср .

Эмиттер с повышенной яркостью выполняется в виде стержня из гексаборида лантана (LaB6 ), конец которого имеет острие с радиусом закругления 1–10 мкм. Типичные эмиссионные характеристики лантановых эмиттеров: плотность тока эмиссии 100 А/ см2 при 2000 К, яркость порядка 106 А/см2Чср при радиусе закругления острия 10 мкм.

К третьему типу источников электронов относятся полевые эмиттеры из вольфрамовых стержней с радиусом закругления

0,1–1,0 мкм. Плотность тока при этом превышает 100 A /см2 , а яр-

кость достигает 108 А/см2Чср . Термополевые эмиттеры могут обес-

печить более высокие параметры. Другим важным параметром элек- тронно-лучевых установок является распределение энергий электронов в луче. Большой разброс значений энергии приводит к увеличению размера пятна на мишени вследствие хроматической аберрации в фокусирующих линзах. Разброс энергий для проволочного вольфрамового катода составляет примерно 1,6–3,0 эВ, для катода из LaB6 –

около 2–3 эВ и для полевых катодов – 0,3–1,0 эВ. Кроме того, разбросы энергий электронов увеличиваются в электронных пучках с большой плотностью тока за счет кулоновского взаимодействия между электронами.

Фокусировка. Проведение ускоренных пучков до объекта обработки требует их фокусировки. Фокусировкой достигаются необходимые размеры зоны обработки и плотности мощности для выполнения операции.

Фокусировку электронных потоков осуществляют с помощью магнитных, реже – электростатических линз. Фокусировка сопровождается появлением различных искажений или аберраций, которые приводят к возникновению в фокусе линзы электронного пятна вместо точки. Наименьший возможный диаметр этого пятна d называется кружком рассеяния. Он связан с углом сходимости луча у мишени

соотношением d ~ C n , n = 1, 2, 3.

Рассмотрим виды аберраций в порядке возрастания их важности.

66

Фокус для периферийных

электронов оси луча

Кружок наименьшего рассеяния (минимальный диаметр)

Фокус для электронов, движущихся вблизи оси луча

U U

Рис. 5.14. Типичный ход траекторий электронов в линзе, имеющей сферическую аберрацию

Сферическая аберрация связана с фокусирующими полями. Сила фокусирующего поля больше у стенок электрода линзы и уменьшается к оси. Аберрация этого вида приводит к тому, что периферийные электроны фокусируются ближе к линзе, чем осевые (рис. 5.14). Кружок наименьшего рассеяния находится между этими двумя фокусами.

достичь путем вырезания пучка диафрагмой, но при этом уменьшается ток и падает производительность ЭЛУ.

Хроматическая аберрация линзы зависит от скорости частиц, входящих в неѐ. Частицы с большей скоростью будут сфокусированы в точке, отстоящей от линзы дальше, чем точка, в которой сойдутся частицы с меньшей скоростью (рис. 5.15).

67

Как и в случае сферической аберрации, возникает кружок наименьшего рассеяния с диаметром

где Cc Kc f (Kc 0,75 1).

Плоскость линзы

Фокус для медленных электронов Кружок рассеяния

Фокус для быстрых электронов

Рис. 5.15. Траектории электронов в линзе с хроматической аберрацией

Величины U и U означают соответственно средний разброс и среднюю энергию электронов, попадающих в линзу. Для уменьшения хроматической аберрации следует стабилизировать ускоряющее на-

пряжение на уровне 3 10 5. Хроматическая аберрация зависит не только от характеристики линзы, но и от входящих в нее электронов. Даже самой тщательной стабилизацией источников питания устранить разброс скоростей и энергий электронов, обусловленный действием электронной пушки, невозможно.

Характеристики магнитной линзы также зависят от напряженности магнитного поля H и, следовательно, тока возбуждения. Выражение для dc часто записывают в виде dc Cc

Равенство показывает, что колебания магнитного поля H / H и разброс энергий электронов U /U оказывают противоположное действие на dc , причем действие первого фактора вдвое сильнее. Необходимо применять магнитные линзы с минимальным значением Cc . Реально минимальные значения Cs и Cc не могут быть получены в

одном и том же режиме возбуждения, поэтому становится очевидной необходимость компромисса между рассматриваемыми аберрациями

68

при конструировании линзы. Сферическая и хроматическая аберрации проявляются слабее в короткофокусных линзах с фокусным расстоянием 10–40 см. Отклоняющая система, переключающая луч по мишени, также искажает форму и размеры пятна.

Дифракция. Проходя через ограничивающую диафрагму (апертуру), луч дифрагирует, образуя пятно диаметром dd 0,6 / . Этот

эффект сказывается на параметрах лишь тех электронно-лучевых систем, которые обладают самой высокой разрешающей способностью. С учетом уравнения (5.7) для и подстановки постоянных получаем

Таким образом, минимальный размер электронного луча на мишени dm зависит от поперечной составляющей тепловой скорости

электронов, хроматической и сферической аберраций линз и дифракции луча на ограничивающей диафрагме. Воздействие этих эффектов до определенной степени можно считать статистически независимыми. В этом случае диаметр луча обычно представляют через среднеквадратическую сумму четырех уравнений (5.12)–(5.15):

Наименьший диаметр луча получается при некотором оптимальном значении угла сходимости . Если пренебречь влиянием хроматической аберрации и дифракции, то диаметр пятна будет определяться лишь тепловыми скоростями электронов и сферической аберрацией. При этих условиях можно найти из (5.16) оптимальный угол сходимости, обеспечивающий наименьший диаметр луча

Электронные резисты – это полимерные материалы с высоким молекулярным весом. При облучении органического полимера электронами в нем происходят поглощение энергии и химические превращения. Поскольку энергия электронов много больше энергии химических связей, изменениям подвергаются все виды химических

69

связей, т.е. возможно разрушение полимерных цепочек на отдельные звенья или образование новых связей, т.е. полимеризация. Оба этих процесса протекают одновременно, но один из этих процессов для выбранного материала является преобладающим и определяет результирующий эффект. Если полимер полимеризуется при облучении электронами, в нем образуются трехмерные связи, и он становится нерастворимым (негативные электронные резисты).

Известно относительно небольшое число полимеров, облучение которых средними по величине дозами приводит к преобладанию процесса разрыва главных полимерных цепочек и тем самым образованию в облученном материале молекул с меньшей молекулярной массой. Подобрав растворитель, можно удалить облученный полимер. Однако при больших экспозициях снова начинает преобладать процесс полимеризации, и облученный материал становится нерастворимым. Таким образом, при облучении электронами время экспозиции всегда ограничено, если нужно получить позитивное изображение.

Электронные резисты характеризуются величиной, которая носит название чувствительности S

S jt,

где j – плотность электронного луча; t – время воздействия луча на резист (время экспонирования).

За пороговую чувствительность электронорезиста Sпор прини-

мается доза облучения, необходимая для начала радиционно-хими- ческого превращения. Доза, определяющая стопроцентное преобразование полимера, обозначается через Sо . Например, чувствительность

позитивных резистов на основе полиметилметакрилата типа ПММА при энергии электронного луча 20 кэВ равна (4 8) 10 5 Кл/см2.

Для характеристики электронорезистов вводится также понятие контрастности γ , которая определяется как γ [lg (Sо / Sпор )] 1.

Контрастность служит мерой чувствительности резиста к изменению дозы. Всегда желательно использовать высококонтрастные резисты для обеспечения четкой проработки краев элементов топологии и достижения высокой разрешающей способности. Контрастность