Технология кремниевой наноэлектроники

При движении электронов в веществе энергия их непрерывно уменьшается в результате неупругих столкновений, а траектория движения электронов изменяется из-за их упругого рассеяния на атомах. Пусть пленка резиста толщиной h экспонирована электронным лучом диаметром dM (рис. 5.16).

Электронный

луч

2

Рис. 5.16. Рассеяние пучка электронов в твердом теле (а) и изменение энергетических потерь по глубине (б)

71

Электроны, проходя через щель маски, в результате многократных упругих столкновений рассеиваются в резисте на средний угол (траектория 1). Так как плотность вещества резиста 1 и плотность подложки 2 различны, то на границе раздела x h первичные элек-

троны претерпевают неупругое отражение (траектория 2). Прошедшие в подложку электроны рассеиваются в еѐ объеме; часть из них в результате рассеяния на большие углы вернется обратно в объем пленки резиста (траектория 3). Кроме того, в результате торможения первичных электронов в объеме резиста возникают рентгеновское и ультрафиолетовое излучения. Перечисленные эффекты приводят к

лучения субмикронных размеров.

Все электронно-лучевые технологические процессы связаны с передачей энергии от электронов обрабатываемому материалу, поэтому наиболее важной характеристикой является выделяемая элек-

где dE / dx – потери энергии электронами; e – заряд электрона.

В выражении (5.20) dE / dx и j зависят от координаты x. Так как

плотность тока резко падает с ростом глубины, что связано с рассеянием электронов на большие углы (см. рис. 5.16), то плотность энергии также меняется по глубине материала

тронов.

Смысл введения эффективных энергетических потерь состоит в упрощении описания задачи взаимодействия электронного луча с ве-

dE

ществом. Рассчитать можно следующим образом: dx эф

72

10–1 Дж/см3.

При прохождении электронного луча в резисте толщиной h электроны за счет упругого рассеяния отклоняются от направления пер-

способность электронной литографии. В этом случае целесообразно было бы увеличивать энергию электронов до 100 кэВ.

Однако реальную разрешающую способность электронной литографии определяют вторичные электроны, отраженные от подложки:

пределах 2–8. В дальнейшем приведенные расчетные формулы могут быть использованы для качественной оценки параметров электронной литографии.

В заключение отметим, что рассмотренная упрощенная модель процесса экспонирования электронного резиста служит иллюстрацией взаимосвязи основных параметров процесса нетермического взаимодействия электронного луча с веществом.

Рассмотрим те физические эффекты, которые накладывают ограничения на параметры электронно-лучевой литографии применительно к изготовлению СБИС. Эти ограничения связаны с материалом резиста, электронным лучом и системой управления ЭЛУ.

Попадающий на мишень электронный луч создает заряд, равный произведению тока на время экспонирования. Полезное действие луча на поверхность мишени можно выразить через число электронов, приходящихся на единицу площади, которые необходимы для получения нужного эффекта. Время, необходимое для экспонирования пятна диаметром d лучом с плотностью тока j0 на поверхности ми-

S0 8 10 5 Кл/см2, требуется S0 e электронов, т.е. 5 1014 элек-

трон/см2. Чем меньше значение S0 , тем выше чувствительность резиста, т.е. для достижения нужного эффекта в резисте требуется мень-

Для полной уверенности, что резист экспонирован должным образом, минимальное число электронов, которые определенно попадают на данный участок, составляет Nmin 200. Поэтому в областях

с малыми размерами минимальная ширина линии bmin связана с дозой выражением

75

Выражение (5.27) показывает, что очень чувствительные резисты не пригодны для формирования структур с высокой разрешающей способностью, если только на область с малыми размерами не попадает число электронов, существенно большее минимального.

Помимо ограничений, налагаемых чувствительностью и реальной разрешающей способностью резиста, существует ряд ограничений, связанных с ЭЛУ. Эти ограничения обусловлены характеристиками электронно-оптической системы, а также электронными и механическими взаимодействиями, определяющими плотность и скорость сканирования.

Зависимость плотности тока луча и, следовательно, времени экспонирования от параметров электронно-оптической системы можно получить из уравнения (5.28). При оптимальных параметрах луча

Из выражения (5.28) видно, что для получения заданной ширины линии можно уменьшать t, варьируя чувствительность резиста S0 , яркость источника B или коэффициент сферической аберрации

линзы Cs . Время экспонирования больших участков равно T n t,

где n – полное число приходящихся на данный участок элементов разложения.

Таким образом, существуют четыре независимых соотношения, определяющих связь времени экспонирования элемента разложения с параметрами луча или свойствами резиста. Эти соотношения включают основные параметры – плотность тока луча, ширину линий, диаметр луча и чувствительность резиста. Фактически необходимое время экспонирования определяют путем совместного решения этих четырех уравнений. Поскольку уравнения содержат общие параметры, решение можно проиллюстрировать графически (рис. 5.17).

Каждому уравнению отведен один квадрант: квадрант I представляет соотношение S j t, квадрант II – уравнение (5.27), квад-

рант III – отношение ширины линии к диаметру пятна, определяемое числом проходов луча для воспроизведения линии, квадрант IV– уравнение (5.18). Совместное решение дает некоторую величину P в квадранте I, означающую время экспонирования для элемента разложения.

76

Основное преимущество электронно-лучевой литографии со-

стоит в повышении разрешающей способности, однако существуют некоторые другие выигрышные факторы технического и экономического характера. Так, возможно ускорение изготовления шаблонов для фотолитографии с размерами элементов рисунка 1–5 мкм. Цикл изготовления шаблона может составить всего 1–2 дня по сравнению с шестью неделями, которые обычно тратятся на вычерчивание, фотографирование с уменьшением, мультиплицирование и т.д.

Рис. 5.17. Диаграмма, показывающая влияние различных факторов на время экспонирования

Возможность создавать рисунки с высокой разрешающей способностью методом последовательного электронно-лучевого экспонирования позволяет решить проблемы, обусловленные искривлением (неплоскостностью) пластин. Применение электронно-лучевой литографии позволяет улучшить воспроизводимость ширины линий, точность размещения элементов рисунка и точность совмещения нового рисунка с ранее сформированными на пластине элементами, что весьма важно для увеличения плотности размещения компонентов в

77

СБИС. Многие из достоинств обусловлены тем, что движение электронного луча программируется и управляется с помощью ЭВМ. Возможность создания топологических рисунков с помощью ЭВМ и изменения их путем простой модификации программ может сделать малосерийное производство интегральных схем более экономичным.

5.6.Технология электронно-лучевой литографии

Внастоящее время электронно-лучевая литография широко используется для изготовления фотошаблонов, применяющихся в иммерсионной литографии, импринтинге, ЭУФ-литографии, нанотехнологиях и фундаментальных исследованиях. В связи с возрастающей сложностью изготовления фотошаблонов и как следствие высокой ценой комплекта шаблонов в кремниевой технологии в последнее время значительное внимание уделяется изучению возможности применения электронной литографии для экспонирования непосредственно на полупроводниковой пластине. В технологии GaAs монолитных интегральных схем электронная литография используется для создания наиболее критичных блоков схемы.

Оборудование и способы экспонирования. Возможность по-

лучения критичных размеров, точность совмещения топологических слоев, производительность процесса электронно-лучевой литографии главным образом определяются возможностями систем ЭЛ экспонирования. Существует несколько вариантов построения таких систем

(рис. 5.18).

Рис. 5.18. Основные характеристики систем электронно-лучевого экспонирования

В современных установках электронно-лучевой литографии используются два различных способа формирования электронного луча

78

в электронно-оптической колонне, дающих в результате луч с круглым сечением и гауссовским распределением плотности тока и луч с изменяемой формой сечения (квадратной, прямоугольной) – профилированный луч (рис. 5.19).

Рис. 5.19. Распределение плотности тока в луче с гауссовским сечением (а)

ив профилированном луче (б)

Вслучае использования луча гауссовской формы экспонирование происходит от точки к точке (рис. 5.20, а). Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4–5 малых пятен для формирования квадрата. Производительность таких установок очень мала. При использовании профилированного луча экспонирование осуществляется «штампами» заданной формы и площади, которые формируются с помощью наложения специальных апертур (рис. 5.20, б). При таком методе первая апертура задает форму луча, и ее изображение проецируется на вторую апертуру. Система отклонения смещает изображение первой апертуры так, что оно лишь частично перекрывается со второй. С помощью апертур различных форм можно получать треугольники, повернутые на 45° прямоугольники и параллелограммы.

Рис. 5.20. Методы экспонирования резиста

с использованием гауссовского луча малого диаметра (а) и луча изменяемой формы (б)

Производительность установок электронно-лучевой литографии, работающих с профилированными пучками, в несколько раз выше по

79

сравнению с установками, использующими гауссовский пучок, так как за одно и то же время экспонируется большая площадь. Формирование изображения с помощью профилированного луча происходит ~ 3–10 раз быстрее по сравнению с лучом гауссовой формы (при прочих равных условиях). Например, время экспонирования кристалла размером 21,4 21,2 мм2 с минимальным размером элемента 120 нм при чувствительности резиста 10 мкКл/см2 и экспонируемой площади 0,9% от общей площади пластины на установке с гауссовым лучом составит 60 мин, при использовании установки с профилированным лучом для этого потребуется 10,8 мин.

Производительность установки экспонирования также зависит от типа перемещения столика с пластиной. В большинстве установок стол с пластиной перемещается с остановками, и экспонирование происходит в момент остановки. Затем столик передвигается на расстояние, равное шагу поля сканирования, и начинается экспонирование следующего элемента. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет обработана вся площадь пластины или шаблона (рис. 5.21, а). Второй алгоритм заключается в непрерывном перемещении стола с пластиной (рис. 5.21, б). В процессе перемещения стола электронный луч засвечивает в резисте полосу заданной ширины. При этом сокращается общее время процесса экспонирования.

Рис. 5.21. Варианты экспонирования топологических фигур с использованием стола с пошаговым перемещением (а) и непрерывно движущегося стола (б)

Для формирования топологического рисунка в слое резиста применяется растровое и векторное сканирование. В случае растрового сканирования луч сканирует всю площадь, но включается только на тех участках, которые должны быть проэкспонированы (рис. 5.22,

а).

В процессе векторного сканирования луч экспонирует требуемую фигуру, затем скачком перемещается к следующей фигуре (рис. 5.22, б). Так как экспонируемая площадь почти всегда меньше половины площади пластины (20% и менее), существенное достоинство векторного метода сканирования в том, что луч перемещается

80