Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике

40

1

d0

2

3

4

Рис.3.2. Рассеяние пучка электронов в слое электронорезиста и подложке:

1 - первичный пучок электронов; 2 - слой электронорезиста; 3 - подложка; 4 - область прямого и обратного рассеяния электронов;

d0 - диаметр падающего пучка электронов.

Разрешающая способность электронной литографии определяется диаметром электронного луча и его уширением в слое резиста при экспонировании. При непосредственном формировании рисунка остросфокусированным электронным лучом минимальный размер экспонируемой линии, т.е. разрешающая способность, оценивается

bmin = dmin + Dy,

где dmin - минимальный диаметр электронного луча при оптимальном значении угла сходимости;

Dy - уширение электронного луча в слое резиста.

Методика расчетов dmin и Dy приводится в/6/. Для обеспечения требуемого размера элементов bmin определяется dmin при рассчитанном уширении Dy. Суммарное уширение складывается из Dy1 за счет упругого рассеяния и Dyотр за счет вторичных электронов, отраженных от подложки. Обычно Dy1 меньше Dyотр и его в оценочных расчетах можно не учитывать, т.е.

dmin = bmin - Dyотр.

В расчетах Dyотр все данные для электронорезиста ПММА выбираются из /6/.

Минимальный диаметр электронного луча рассчитывается /6/в при оптимальном значении угла сходимости.

41

Ограничения электронно-лучевой литографии связаны с материалом резиста, электронным лучом и системой управления электроннолучевой установки. Попадающий на мишень электронный луч создает

заряд S0 , равный произведению плотности тока на время экспониро-

вания. 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 диаметромd лучом с плотностью

Ne » 0,6 электрона.

Для полной уверенности, что резист экспонирован должным образом, минимальное число электронов, которые определенно попада-

ют на данный участок, составляет Nmin = 200. Поэтому в областях с малыми размерами минимальная ширина линииbmin связана с дозой выражением

(bmin 2)= Nmin ×e .

S0

Из выражения видно, 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,

42

связанных с электронно-лучевой установкой. Зависимость плотности тока луча и, следовательно, времени экспонирования от параметров

оптической линзы;

dmin - минимальный диаметр электронного луча при оптимальном значении угла сходимости;

B - яркость электронной пушки.

Из уравнения видно, что для получения заданной ширины линии можно уменьшать t, варьируя чувствительность резиста S0 , яркость

Cs. Время экспонирования больших участков равно T = n ×t, где n —

полное число приходящихся на данный участок элементов разложения.

Таким образом, существуют четыре независимые соотношения, определяющие 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 [6].

Основное преимущество электронно-лучевой литографиисо-

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 рисунка1–5 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. Возможность создавать рисунки с высокой разрешающей способностью методом последовательного электронно-лучевого экспонирования позволяет решить проблемы, обусловленные искривлением (неплоскостностью)

43

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 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.

3.2. Рентгеновская литография

При рентгенолитографии изображение на полупроводниковую подложку переносится с шаблона, называемого рентгеношаблоном, с помощью мягкого рентгеновского излучения, длина волны которого

l = 0,5 - 2 нм.

В настоящее время рентгенолитография не нашла широкого применения в серийном производстве полупроводниковых приборов и ИМС из-за сложности технологии и используемого оборудования. Для реализации рентгенолитографии необходимы:

мощный источник рентгеновского излучения с малой расходимостью пучка;

рентгеношаблоны, обладающие высокой прочностью, контрастностью и малым температурным коэффициентом линейного расширения;

рентгенорезисты высокой разрешающей способности и чувствительности.

При экспонировании на специальной рентгеновской установке с вращающейся мишенью (рис.3.3) вращение мишени обеспечивает более эффективное ее охлаждение и позволяет направлять на нее более плотный электронный пучок, что повышает интенсивность рентгеновского излучения и сокращает время экспонирования. Поток электронов из электронной пушки5 фокусируется на поверхности мишени6. Рентгеновское излучение 4 выводится через окно 3 вакуумной камеры 7 и проходит через рентгеношаблон 2 на пластину 1, покрытую рентгенорезистом. Экспонирование, таким образом, производится широким расходящимся пучком при неподвижных шаблоне и пластине.

44

Рис. 3.3. Схема экспонирования на рентгеновской установке вращающейся мишенью.

Для предотвращения испарения материала мишени и улучшения условий теплоотвода вакуумную камеру заполняют гелием(~1,3 Па), слабо поглощающим рентгеновское излучение.

Материал и толщина вакуумного окна должны быть подобраны так, чтобы не происходило заметного поглощения рентгеновского излучения. Этому требованию отвечает бериллий толщиной 20-30 мкм и некоторые другие материалы.

В отличие от фотолитографии, где экспонирование производится широкими коллимированными световыми пучками, рентгенолитография не располагает соответствующей"оптикой" и экспонирование на рентгеновских установках приходится выполнять в пучках с большим углом расходимости. При наличии зазора между шаблоном и подложкой это приводит к искажению размеров и смещению элементоври сунка, передаваемого в слой резиста. Максимальное смещение элемен-

та возникает на периферии пластины и равно Dmax = SD /(2R).Кроме

того, конечные размеры пятна на поверхности мишени из-за низкой степени фокусировки снижают контрастность изображения в слое резиста. Размытость изображения, т.е. ширина зоны полутени по контуру

45

элемента, d = Sd / R. Удовлетворительные результаты получают при d £ 1 мм, S £ 10 мкм и R ³ 50 см.

рис.3.4. Пластину кремния ориентации (100) n- или p-типа проводимости подвергают химико-механическому полированию с рабочей стороны и химическому полированию с обратной стороны до толщины 200 мкм. На рабочую сторону плазмохимическим методом при800 оС

всреде азота наносят слой Si3N4 толщиной 0,5 мкм и на него - защитный слой SiO2 толщиной 0,2 мкм. Пластину термически окисляют с обратной стороны для выращивания пленкиSiO2 толщиной 0,5 мкм. Обе стороны пластины покрывают фоторезистом, и на обратной сто-

роне пластины в слоеSiO2 формируют окно. После удаления фоторезиста на рабочую поверхность методом вакуумного напыления наносят пленки хрома толщиной0,005 мкм и золота толщиной0,02 мкм (хром является адгезионным подслоем для золота, а золото - основой для рентгеновской маски), а затем ее покрывают электронорезистом и подвергают электронно-лучевому экспонированию для формирования

рисунка. На следующем этапе на сформированный рисунок маски электролитическим методом осаждают слой золота толщиной1 мкм. После удаления электронорезиста обратную сторону пластины травят

вселективном травителе до пленкиSi3N4. Двухслойная мембрана

Si3N4-SiO2 прозрачна не только для рентгеновского излучения, но и для видимого, что позволяет оптически совмещать маску с подложкой.

46

1

2

3

4

Рис.3.4. Этапы изготовления рентгеновского шаблона на основе мембраны SiO2-Si3N4: 1 - кремний (100); 2 - слой нитрида кремния; 3,4

- слой оксида кремния; 5 - пленка хрома; 6 - пленка золота; 7 - отдельные участки фоторезиста

При рентгенолитографии шаблон помещают в установку экспонирования рентгеновскими лучами, где происходит перенос топологии шаблона на подложку.

3.3. Ионная литография

При ионной литографии сохраняются принципы формирования изображения элементов, применяемые при электронно-лучевой литографии, но вместо пучка электронов используется ионный пучок. Разрешающая способность ионной литографии 0,1-0,2 мкм.

Ионная литография обладает рядом достоинств, которые обусловлены особенностями взаимодействия ионов с материалом резиста.

П е р в о е д о с т о и н с т в о состоит в том, что ионы, обладая значительно большей массой, чем электроны, активно взаимодейству-

47

ют с материалом резиста, следовательно, больше тормозятся и имеют малый пробег, а значит и меньше, чем электроны, рассеиваются. Таким образом, эффект близости при ионной литографии проявляется незначительно, что обусловливает ее высокую разрешающую способность.

В т о р о е д о с т о и н с т в о связано с сильным поглощением ионов, поэтому перенос изображения можно проводить при меньших, чем при электронолитографии, дозах.

Кроме того, пучком ионов можно непосредственно локально легировать структуру ИМС, т.е. формировать им соответствующие структурные области (базы, эмиттеры, стоки, истоки и др.). При этом пользуются узким прямоугольным пучком переменной формы, которым непосредственно сканируют соответствующие области или обрабатывают их широким пучком через трафаретный шаблон. Остальные элементы этих установок такие ,жекак в установках электроннолучевой литографии.

Таким образом, при формировании структур ИМС узким пучком процесс литографии в обычном понимании заменяется процессом размерного легирования, называемым имплантографией.

Основными элементами установок ионной литографии, создание которых вызывает наибольшие трудности, являются источники ионов и системы фокусировки и развертки ионных пучков.

Источник ионов должен обеспечивать формирование ионного пучка необходимой энергии и высокой плотности тока. Энергией ионов, как и при ионном легировании, определяется глубина их проникновения в подложки.

Для определения минимального диаметра сфокусированного ионного пучка можно воспользоваться соотношением

48

чению плотности ионного тока пучка, заключенного в данном телес-

силе тока ионного луча (I0 » 10-9 -10-10 ) А минимальный диаметр составляет 3-5 мкм. Значительно лучшие результаты получены для

Внастоящее время развиваются два направления разработки мощных ионных источников: с ионизацией паров жидких металлов или газа в сильном электрическом поле. Ионизация в этих источниках

происходит вблизи острия электрода, на который подается потенциал. При напряженности электрического поля до106-107 В/см в него вводится капля расплавленного металла на подогреваемом электроде или газ. В сильном поле ионы вырываются из жидкометаллической фазы или газ, находящийся вблизи острия, притягивается к нему и ионизируется. Образовавшиеся ионы вытягиваются из области ионизации системой электродов и ускоряются до заданной энергии.

Впоследнее время созданы и исследуются возможности применения источников ионов H, He, Ar, Ga, Au, In, Si, Al, Ge. Можно предполагать, что процессы имплантографии займут ведущее место в -ав томатизированных технологических системах создания СБИС.

49

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛЕНОЧНОЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Термическое испарение в вакууме

4.1.1. Вакуумные напылительные установки Суть метода заключается в нагреве вещества до температуры ис-

парения, его испарении и последующей конденсации в вакууме на подложке. Получение пленок возможно только при низких давлениях в вакуумных установках. Схема установки показана на рис.4.1.

Рис. 4.1. Схема установки вакуумного напыления 1 - испаритель; 2 - подложка; 3 - рабочая камера; 4 - заслонка;

5 - затвор; 6 - высоковакуумный насос; 7 - форбаллон; 8,9 - вакуумные вентили; 10 - форвакуумный насос

В условиях высокого вакуума материал, помещенный в испаритель 1, разогревается и испаряется, в результате чего молекулы вещества движутся к подложке 2, где они конденсируются, образуя пленку.

Процесс осуществляется внутри камеры3, связанной с непрерывно работающей системой откачки воздуха.

Вакуумная система состоит из высоковакуумного паромасляного насоса 6 и механического насоса 10. Подключение насосов к рабочей