Топик: Литография высокого разрешения в технологии полупроводников

E=hn-Q (23)

где Q- энергия связи электрона на его орбитали. Энергия кванта ионизирующего излучения hn обычно превышает Q.

Электрон выбивается с орбитали с образованием положительного иона:

АВ®АВ++е (24)

При поглощении электронных пучков потери энергии электронов на торможение в твердом теле описываются соотношением Бете, полученным в приближении непрерывных потерь:

-dЕ/dS=7.9*104Z/E*ln(2E/j)[кэВ/см] (25),

где Z- средний атомный номер, j- средний потенциал ионизации и S- длина пробега электрона, которая для обратно рассеянных электронов с энергией > 1 кэВ может иметь величину порядка несколько микрометров. Поскольку больная часть падающих электронов остается в подложке, то чувствительность резиста и форма профиля изображения зависят от материала подложки.

Производительность систем ЭЛ экспонирования.

Наряду с высоким разрешением достигнута приемлемая производитель-ность систем ЭЛ экспонирования. Важнейшие факторы, определяющие ее, приведены в табл 2. Стоимость ЭЛ экспонирования одной пластины по сравнению с оптическими оказывается примерно на порядок выше, что, однако, оправдывается возможностью перенастройки (поскольку не требуются фото шаблоны) и в тех случаях, когда для изготовления кристалла ИС необходимо многократное экспонирование.

Из-за аберраций и электрон-электронных взаимодействий, ток луча приходится понижать при экспонировании наименьших пятен (рис. 15), что ведет к увеличению времени экспонирования изображений с субмикронными элементами.

Время экспонирования t определяется выражением:

t=D/I[A/cm2], (23)

где доза D, требующаяся для экспонирования, находится в пределах от 1 мКл/см2 до 1 мкКл/см2.

Рис. 15. Зависимость между током электронного пучка и его диаметром.

Время экспонирования единич-ного пятна от нескольких микро-секунд до 0.1 с типичны для систем с катодами как из вольфрама, так и гексаборида лантана (плотность тока эмиссии 0.1-50 А/см2). В автоэмиссионных катодах можно достичь плотность тока 106 А/см2, но они не достаточно стабильны. Электронно-оптические аберрации и эффекты объемного заряда не позволяют сфокусировать в пятно нанометрового размера весь ток источника (106 А/см2), вынуждая экспонировать пятна, площадь которых в 102-104 раз больше.

В пятне как 1 мкм, так и 1 нм размера поддерживается примерно одинаковая плотность тока (1-100 А/см2) и соответственно требуется приблизительно равное время экспонирования пятна.

Нанолитография сталкивается со статическими проблемами при формировании дозы в нанометровом пятне. К примеру, располагая лучем (пятном) диаметром 100 нм, для повышения производительности желательно было бы использовать более чувствительный резист, а для увеличения разрешения сделать его по возможности тонким (порядка 100 нм).

Вследствие статической природы явления электронной эмиссии минимальное число электронов Nm, необходимое для экспонирования пятна, ограничено снизу пределом допустимого дробового шума (рис. 16) и составляет примерно 200 электронов. Лимитирующая доза определяется выражением

D= Nme/(линейный размер)2(26)

Рис. 16. Статический шумовой предел дозы ЭЛ-экспонирования, необходимой для формирования элементов нанометровых размеров.

Повышенные дозы, требуемые в нанолитографии, приводят к непомерно большому времени экспонирования, если не использовать автоэмиссионные катод либо резисты способные к усилению изображения, чувстви-тельностью около 0.01 мкКл/см2. К тому же в электронной оптике, схематехнике, в позиционирова-нии пучка и т.д. существуют фундаментальные физические ограничения на размер экспонируемой области, дозу, время облучения, рабочее поле.

Эти факторы наряду с упомянутыми выше требованиями к интенсивности пучка и его краевому спаду устанавливают производительность на уровне 1-10 пластин в час (100-150 - мм пластины) для наиболее быстродействующих ЭЛ установок с лучем переменной формы.

Радиационные резисты.

Главные задачи взаимодействия резиста с экспонирующим оборудованием состоят в обеспечении:

1) высокой чувствительности для приемлемой производительности;

2) высокого разрешения для формирования субмикронных изображений.

Кроме выполнения этих первоочередных задач, резистная маска должна иметь хорошую стойкость на этапе переноса изображения.

Снижение требуемой дозы при использовании источников излучения высокой энергии с уменьшением размера изображения (пятна или сечения пучка) приводит к дилемме статистического характера. Поскольку источник испускает частицы с высокой энергией из эмиттера случайным образом, то число электронов или других частиц, попавших на элемент изображения нанометрового размера, может оказаться недостаточным для формирования изображения. Если на 1 см2 падает 6*1011 электронов, то в пятно размером 0.1´0.1 мкм2 попадает только 60 электронов с неопределенностью дробового шума (N) в интервале ±(N)1/2 . Разрешение, согласно статистике Пуассона, есть простая функция дозы:

Предел разрешения = Доза-1/2

Чтобы достичь нанометрового разрешения, для малых элементов изображения требуется большая доза, соответствующая паспортной чувствительности резиста, но экспонирование излучением высокой энергии требует более чувствительных резистов для достижения хотя бы минимально приемлемого выхода продукции. При малых дозах (меньше 1 мкКл/см2) размер экспонированных элементов (пятен) настолько мал, что полимер не проявляется. Для изолированных линий недостает обратно рассеянных электронов, и для компенсации этого дефицита (внутреннего эффекта близости) требуется избыточная доза. Для полимерных резистов, в которых нужно экспонировать только поверхностный слой (как в случае ПММА, обрабатываемого мономером), а не всю толщу резиста, ряд ограничений, обусловленных дробовым шумом, может быть снят, поскольку образующиеся при экспонировании захваченные радикалы служат инициаторами изотропной поверхностной полимеризации.

Из трех видов экспонирования (ЭЛ, рентгеновское и ионно-лучевое) ионный пучек имеет самую высокую эффективность, поскольку большая часть его энергии (90 %) может поглотиться пленкой толщиной 1 мкм без искажений, обусловленных обратным рассеянием, которое свойственно ЭЛ-экспонированию. При электронном или рентгеновском экспонировании пленка поглощает только 1-10 % падающей дозы.

Оборудование для ЭЛ экспонирования.

К любой литографической системе предъявляются следующие принципиальные требования:

1) контроль критического размера;

2) точность совмещения;

3) эффективность затрат;

4) технологическая гибкость;

5) совместимость с другими экспонирующими системами.

Существует несколько вариантов построения сканирующих установок ЭЛ экспонирования:

1. Гауссов пучек либо пучек переменной формы.

2. Пошаговое либо непрерывное перемещение столика.

3. Источник электронов: вольфрамовая нить, эмиттер из гексаборида лантана, полевой эмиссионный катод (острие), простой либо составной источник.

4. Коррекция эффектов близости варьированием дозы, размеров экспонируемых областей либо и того и другого.

5. Ускоряющее напряжение (5-10 кэВ).

Главные элементы экспонирующей ЭЛ системы- источник электронов, системы фокусировки и бланкирования луча, устройство контроля совмещения и отклонения, электромеханический стол и компьютерный интерфейс.

1. Блок бланкирования электростатического либо электронно-магнитного типа, который “выключает” электронный луч, отклоняя его за пределы отверстия коллимирующей диафрагмы.

2. Блок отклонения- либо совмещенный с оконечной линзой, либо помешенный после нее. Блоки отклонения тоже делятся на электронно-статические и электронно-магнитные, но предпочтение, обычно, отдается последним (по причинам меньших аберраций и лучшей защищенности от влияния поверхностного заряда).

3. Блок динамической фокусировки, корректирующий аберрации, вносимые отклонением луча от оптической оси системы.

4. Система детектирования электронов, сигнализирующая об обнаружении меток совмещения и других деталей рельефа мишени.

5. Прецизионный рабочий стол с механическим приводом, обеспечивающим обработку все пластины.

6. Вакуумная система.

В растровой схеме топологический рисунок обычно делится на подобласти, каждая из которых сканируется растром, подобно телевизионному. Вдоль своего серпантинообразного пути электронный луч периодически банкируется. Круглый гауссов луч, диаметр которого составляет примерно четверть минимального размера элементов изображения, сканирует с перекрытием (рис. 17). При этом наблюдается некоторая волнистость контура элементов, обусловленная внутренним эффектом близости.

Рис. 17. Формирование отдельной линии при прекрытии гауссовых лучей.

Другой тип установок с гауссовым лучом работает в режиме векторного скани-рования. Электронный луч адресуется только в области, подлежащие экспони-рованию (рис. 18). При формировании топологических рисунков с низкой плотностью элементов, к примеру контактных окон, этот метод существенно ускоряет процесс экспонирования. В таб. 3 проведено сравнение векторной и растровой сканирующих систем экспонирования.

Рис. 18. Путь луча при растровом (слева) и векторном (справа) ЭЛ-экспонировании.

Гауссовы лучи недостаточно интенсивны и требуют перекрытия 4-5 малых пятен для формирования квадрата. Использования луча с сечением фикси-рованной либо переменной прямоугольной формы повышает произво-дительность (рис. 19). Еще большая производительность может быть достигнута проецированием целых фигур в комбинированном растрово-векторном режиме (рис. 20). .

Рис. 19. Экспонирующая ЭЛ-система с прямоугольным лучем переменной формы. 1 - пластины, управляющие формой луча; 2 - вторая квадратная диафрагма; 3 - полученное пятно.

Рис. 20. Символьная проекционная ЭЛ-печать. 1 - отклоняющие пластины; 2 - фокус; 3 - символьные апертурные отверстия; 4 - символьная диафрагма; 5 - полученное изображение (сечение луча).

Сокращение времени обработки в случае проекции фигур переменной формы показано на рис. 21, где сравнивается экспонирование гауссовом лучом, лучами постоянной и переменной форм и проецированием фигур. Чем больше одновременно проецируемая область, тем выше производительность. Время переноса изображения в системах с лучом переменной формы в 16-100 раз короче, чем в системах, использующих гауссов луч.

Рис. 21. Число точек изображения, формируемых круглым гауссовым лучем (а), лучем фиксированной квад-ратной формы (б), лучем переменной формы (в) и проецированием фигур (г).

Для топологического рисунка малой плотности, с изреженными окнами, обычно используют позитивный ЭЛ резист, негатив-ный же предпочтительнее, если доминируют области, подлежащие вскрытию.

Литографический прием, позволя-ющий избежать влияния фактора плотности элементов, состоит в контурном экспонировании фигур рисунка с последующим осажде-нием металла, излишки которого удаляются посредством электро-лиза. Эта технология образно названа “каньонной” литографией в связи с очерчиванием некоторых областей рисунка и истреблением промежутков между ними.

Производительность ЭЛ установок складывается из производительности процессов экспонирования, совмещения, перемещения и подготовки топологической информации.

Время прорисовки изображения электронным лучом T равно сумме времени экспонирования te и ожидания tw:

T= te+ tw. (27)

Время tw включает в себя время численных преобразований, передвижения столика, регулировки позиционирования и т.д. Хотя tw не всегда пренебрежимо мало, мы сосредоточимся на главным образом на рассмотрении te. Если луч с плотностью тока j за время t засвечивает одновременно площадь a, то время, необходимое для экспонирования области площадью A, равно:

te=k(S/j)(A/a), (28)

где k отношение фактически сканируемой области к А, S чувствительность резиста.

Величина k определяется характером топологии и схемой сканирования (k=1 в растровой и k=0.2-0.4 в векторной). Таким образом, для сокращения времени экспонирования необходимо увеличить плотность тока луча j либо общий ток ja. Время ожидания состоит из времени обработки данных и времени установки подобласти экспонирования и столика.

При использовании луча переменной формы основными проблемами являются формирование элементов непрямоугольной формы и коррекция эффектов близости посредством разбиения фигур на области равной дозы. Такой способ коррекции связан с проблемами управления большими объемами данных и потерей производительности.

Резистный материал может взаимодействовать с компонентами ЭЛ систем, порождая такие проблемы, как загрязнение, накопление заряда, плохое совмещение и низкий срок службы оборудования, приводящий к росту затрат времени на ремонт.

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 hе/(he+1) в соответствии с принципом взаимности, введенным Чангом. Здесь he - отношение вкладов обратно- и впередрассеянных электронов в энергию, поглощенную резистом. При he=1 значение hе/(he+1) составляет 0.5, т.е. величина энергии, поглощенной в малых неэкспонированных областях, вдвое меньше, чем в больших экспонированных. Величина hе/(he+1) зависит от ускоряющего напряжения, поскольку от него зависит he, однако эта связь еще недостаточно хорошо исследована.

Страницы: 1, 2, 3, 4