книги / Методы повышения параметров БИС

мещая пластину или смещая пучок излучения с помощью специ­ альных зеркал; можно также изменять направление пучка, сме­ щая орбиту электронов в накопительном кольце [97].

Одной из проблем рентгенолитографии является изготовле­ ние шаблонов на подложках, представляющих собой мембраны толщиной несколько микрометров. К шаблонам, применяемым в практической рентгенолитографии, предъявляются сложные и специфические требования: прозрачность подложки (мембраны) к рентгеновскому излучению, высокий коэффициент поглоще­ ния материала маскирующего рисунка, оптическая прозрачность для облегчения совмещения, высокая прочность, низкая плот­ ность дефектов, отсутствие неровностей, высокое разрешение, большая площадь и легкость изготовления. Особое внимание уделяется стабильности размеров при изменениях температуры, воздействии влаги и напряжений. Если при наложении одного шаб­ лона на другой требуется производить совмещение с точностьюне меньшей 0,1 мкм, то стабильность размеров шаблона должна быть выше 0,1 мкм на расстоянии 10 см, т. е. выше МО"6.

Для создания непрозрачных участков шаблона используются материалы с максимально большим произведением удельной массы на атомный номер, чаще золото (на адгезионном подслое хрома) или платина, иногда рений или эрбий. Рисунок из погло­ щающего материала формируется электронолитографией, ионно­ лучевым травлением, травлением путем распыления, взрывной литографией.

В качестве мембран применяются органические (майлар, пи­

ролен,	каптон,	полиимид и др.) и неорганические (Si, ,Si02,
Si3N4 -	S i0 2 -	Si3N4, А1а0 3 и др.) пленки [97,160]. Наиболее

прозрачный для рентгеновского излучения бериллий не исполь­ зуется для изготовления мембран рентгеновских шаблонов из-за. хрупкости, оптической непрозрачности, высокого коэффициента теплового расширения и токсичности. Шаблоны на основе мемб­ ран из Si3N4 также имеют ограниченное применение из-за недос­ таточной прочности при малых толщинах и пористости при боль­ ших толщинах.

При выборе толщины мембран и маскирующих слоев необхо­ димо учитывать зависимость коэффициента поглощения матери­ ала от длины волны экспонирующего излучения. Так, для излу­ чения алюминия достаточно прозрачной будет мембрана из майлара или кремния толщиной 10 мкм. Для излучения с X = 2 нм толщина прозрачной мембраны не должна превышать 1 мкм [160].

Контрастность шаблона Гш, характеризующая отношение ве­ личины потока рентгеновского излучения, прошедшего через

101

мембрану, к величине потока, прошедшего сквозь поглощаю* щнй материал толщиной Лш, определяется так:

	Гш = ехр Дш h ш,
где	- коэффициент поглощения непрозрачных участков шаб*

лона, зависящий от длины волны излучения. Для маскирующего рисунка из золота толщиной 0,1 ...0,5 мкм эта зависимость пред* ставлена на рис. 49 [47]. Как видно, в интервале длин волн 0,55...

0,7 нм маскирование споем золота толщиной менее 0,5 мкм не­ эффективно из-за провала на кривой Дди = / (X) для золота.

При наличии тормозного излучения в экспонирующем пучке для обеспечения необходимого контраста изображения толщина маскирующего слоя должна быть увеличена. Так, чтобы получить контраст 8:1 при экспонировании рентгенорезиста излучением РЬ^-источника, требуется поглощающий слой золота толщиной 700 нм на шаблоне. Если же экспшшрование осуществляется толь­ ко его характеристическим излучением с X = 6,44 нм, то для по­ лучения такого контраста достаточно использовать слой золота толщиной 450 нм [182].

Отрицательно влияют на контраст фотоэлектроны и Оже-элек- троны, генерируемые в маскирующем слое золота, в мембране шаблона и в подложке (рис. 50) [182]. Они экспонируют резист в областях под слоем золота и таким образом уменьшают разре-

102

шение и контраст изображения. Этот эффект можно несколько ослабить, если слой золота покрыть органической пленкой.

Все рентгеношаблоны в большей или меньшей степени можно считать транспарентными и, как правило, слабоконтрастными. Из соображений обеспечения наибольшего контраста наиболее подходящим для рентгенолитографии является излучение с X > > 1,5 нм.

Выше указывалось, что маскирующий рисунок на шаблоне из* готавливается обычными технологическими методами, исполь­ зуемыми в производстве ИС. В производстве субмикронных схемных элементов обычно применяются шаблоны, созданные на электронолитографическом оборудовании. Сложность их из­ готовления заключается в том, что отдельные фрагменты маски­ рующего рисунка должны иметь отношение высоты маскирую­ щего материала к его ширине больше единицы. Чтобы избежать при литографии рассеяния электронного пучка в толстом слое ре­ зиста, можно было бы процесс наращивания резиста, тонкого слоя металла, совмещения и экспонирования повторять несколь-

'ко раз. Однако при многократных совмещениях снижается точ-

'ность воспроизведения рисунка. Лучших результатов достигают следующим образом [160]. На подложку из прозрачного для рентгеновского излучения материала наносят тонкий гальвани­ ческий слой металла, напрймер меди толщиной 0,2 нм, и свер­ ху слой позитивного резиста, толщина которого примерно соот­ ветствует наименьшей ширине линии маскирующего рисунка. После проведения электронолитографии в вытравленные отверс­ тия гальваническим способом наносят слой золота или платины (толщина металлизации соответствует.толщине оставшегося ре­ зиста). Затем на пластину наносят слой негативного резиста и проводят экспонирование рентгеновским излучением со сторо­

ны подложки. При этом засвечиваются те участки резиста, кото­ рые не защищены металлом, и после удаления необлученных участков образуется рельеф резиста, представляющий точную копию первоначального рисунка и имеющий вертикальные стен­ ки, который гальваническим способом заполняется золотом. На следующем этапе стравливаются негативный и позитивный ре­ зисты и расположенный под ними слой меди.

Оригинальная методика изготовления высококонтрастных шаблонов с точно контролируемой шириной линии менее .10 нм предложена в работе [175]. Эта методика основана на осаждении под косым углом (оттенении) поглощающего рентгеновские лу­ чи материала на рельефную структуру с треугольным или квад­ ратным сечением из полиимидного материала. На рис. 51 пока­ заны этапы изготовления таких шаблонов и кривые ослабления рентгеновского излучения.

103

J	Я	у	Я	/*	X*		У-4
#	У	У	*	У	*	j
#				J	У

а

си

I	■
кэ
г	Л i А _

Рис. 51. Этапы процесса изготовления рентгеновской маски путем высо­ кого напыления на лолиимидную мембрану (а~&) и кривые ослабления

(г) рентгеновского излучения:

1 - полнимид; 2 - кремний; 3 - вольфрам; 4 - двуокись креминя; а - покрытие полиимндом подложки из S1 или S10 2 ; б - удаление подлож­ ки; в - косое напыление вольфрама

Получение высококонтрастных субмикронных шаблонов обеспечивает технологический метод двойного „взрыва” [160]. На временную подложку из кремния [100] методами химичес­ кого осаждения из паровой фазы и распылением ВЧ наносят трой­ ной слой: Si3 N4 (0,2 мкм) - Si02 (1 мкм) - Si3N4 (Г,2 мкм)> а на него - спой золота (100 нм), промежуточный слой полиимидной смолы (1,5 мкм) и слой электронорезиста, на котором электронолнтографией формируют требуемый рисунок. Этот ри­ сунок покрывают слоем титана толщиной 0,01 мкм. Удаляя в растворителе оставшийся резист, получают маску из титана, че­ рез которую реактивным травлением ВЧ создают углубления в полиимндном слое до подслоя золота, которые гальваническим способом заполняются золотом (1,0... 1,5 мкм). На следующем этапе вторым „взрывом” удаляют полиимид с плёнкой титана и стравливают кремниевую подложку.

В качестве рентгенорезистов используются полимерные мате­ риалы, обычно применяемые в эпектронолитографии, а также

104

специально разработанные [2, 97]. Поглощение рентгеновских лучей резистом в отличие от поглощения света фоторезистом происходит не специфическими атомными группами в полимер­ нойцепи, а любой частью молекулы.

Основным механизмом поглощения веществом рентгеновско­ го излучения является фотоэффект. Фотон рентгеновского из­ лучения, проникая в резист, поглощается макромолекулой поли­ мера; при этом происходит испускание фото- и Оже-электронов с высокой энергией, сопровождающееся локальным изменением свойств резиста. Поскольку энергия, полученная электроном, больше, чем энергия связи электрона в полимерной цепи резис­ та, происходит выбивание новых электронов. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока вся энергия рентгеновского фото­ на не будет распределена между многими электронами резиста в некоторой обпаста вокруг атома, первоначально поглотившего фотон. Длина свободного пробега генерируемых электронов, ограничивающая разрешающую способность рентгенолитографии, пропорциональна квадрату энергии электрона и обратно пропор­ циональна плотности среды. В частности, расчетное значение дли­ ны свободного пробега электрона для Al/f-излучения составляет^ 114 нм, для Сих —90 нм, а для Pdx - 430 нм (эксперименталь~ ные значения примерно вдвое меньше) [97]. Фотоны жесткого рентгеновского излучения изменяют растворимость на больших участках резиста, чем фотоны мягкого излучения.

Доза энергии, поглощаемая единицей объема резиста за время экспонирования резиста тэ:

D —Тэ	[1 —ехр (—ДрЛр)] [ехр(-ДоА0 —Дг^г - ДшАщ)]»
	Лр

где / 0 —начальная плотность потока рентгеновского излучения; Ар, h0, hг, Лш, др, До. Дг. Дш ~ толщины илинейные коэффициенты поглощения рентгеновского излучения резиста, окна вакуум­ ной камеры, слоя газа и шаблона соответственно. Из этого выраже­ ния можно определить минимальное время экспонирования тэ,мин резиста определенной чувствительности при заданной длине волны. Практика показывает, что для экспонирования позитивного резиста типа ПММА рентгеновским излучением* требуется нес­ колько часов; использование синхротронного излучения сокра-

,щает это время до 1 мщ. Для экспонирования негативных резистов рентгеновским.излучением достаточно менее 1 мин [3,47] .

*Считается, что при использовании реютеновских трубок время экспони­ рования минимально, если для генерирования излучения используется пу­ чок электронов.с энергией около 20 кВ.

105

Проблема повышения чувствительности резистов для рентгенолитографии очень актуальна. Вследствие высокой проникаю­ щей способности рентгеновского излучения большая часть энергии падающих рентгеновских лучей не задерживается резис­ том и поглощается подложкой. Это, с одной стороны, снижает производительность процесса рентгенолитографии, а с другой - приводит к нежелательной засветке фото- и Оже-электронами, генерируемыми рентгеновским излучением в подложке. Послед­ ний эффект особенно заметен при подложках из материала с большим атомным номером, покрытых спабопоглощающим резистом. Рис. 52 иллюстрирует влияние подложки на скорость растворения резиста ПММА излучением с X = 0,27 нм.

Предложены методы сенсибилизации рентгенорезистов к мяг­ кому излучениюпутем введения сильно поглощающего материала (например • бария) в полимерную пленку или путем нанесения до­ полнительных тонких слоев металла, например эрбия для Aljf-из­ лучения, на поверхность подложки и резиста. Последний способ пригоден для пленок резиста толщиной около 100 нм, но при этом требуется проведение дополнительных технологических операций.

Разработка резистов с высокой чувствительностью позволит также применять рентгеновское излучение с низкой энергией. В этом случае отпадает необходимость в использовании вращаю­ щихся анодов и исключена связанная с этим вибрация.

Предельное разрешение метода рентгенолйтографии опреде­

ляется размерами областивоздейств!ш^фотоэлектронов ( 6е), воз­ никающих при поглощении фотонов рентгеновского излучения материалом резиста, и ограничешшми френелевой дифракции на щели в шаблоне бд.

Сучетом этих ограничений были определены возможности ме­ тода рентгенолитографии при использовании резиста ПММА и построены соответствующие графики (190]. Оказалось, что область допустимых параметров (рис. 53) ограничена слева кри­ вой 5е, описанной выражением

	1	,
бс = 2 -0,46 - 3,26 (-—)
	А
где 5е, X выражены в микрометрах, а снизу —кривой 5д, опи­
санной выражением
5D = 1,5	>

где Л3,п - расстояние между шаблоном и пластиной. Возможности рентгенолитографии в производстве ИС, требу­

ющих использования более одного шаблона, могут быть полЮб

$А /«и w

	' tij	I	ю	loo	1000
					A.Htl
Рис. 52.	Зависимость скорости растворения резиста ПММА от времени
экспозиции Гэ для различных подложек:
1 - Аи;	2 - N i - F e ; 5 - S i 0 2; - / - S i	(Х = 0,27нм)

Рис. 53. Ограничения рентгеновской литографии, обусловленные рассея­ нием фотоэлектронов в резисте ПММА (8о) и френелевой дифракцией

(8е )

костью реализованы лишь при наличии прецизионных систем совмещения. Для субмикронной реитгенолитографии с мини­ мальными размерами элементов 0,2...0,5 мкм требуется точ­ ность совмещения ±0,05 мкм. Такую точность можно получить с помощью детекторов, фиксирующих прохождение рентгеновс­ кого излучения, когда маркерными знаками являются сквозные отверстия, вытравленные в шаблоне и пластине. Большую точ­ ность обеспечивают системы совмещения, использующие интер­ ференционные явления, возникающие на маркерных знаках, пред­ ставляющих идентичные дифракционные решетки на шаблоне и подложке или одномерную френелевую зонную пластину на шаблоне и прерывистую линию на подложке из материала с боль­ шим, чем у нее коэффициентом отражения.

Высокая эффективность и качество процесса рентгенолитографии при изготовлении приборов с субмикронной геометрией достигается только при точном соответствии размеров рисунков на каждом шаблоне в комплекте для создания данной БИС, при сохранении точных размеров рисунка на шаблоне и подложке, отсутствии деформаций подложки и шаблона.

2.5. ИОНОЛИТОГРАФИЯ

Весьма эффективным средством для создания структур с эле­ ментами субмикронных размеров является ионолитрграфия, со­ четающая достоинства электронной и рентгеновской литографии

, 107

й					Рис. 54. Сравнение характеристик
<*о					экспонирования	новолака разпич-
1,0	'u”7		/	/ 1	нымн ионами с	энергией	Е*0 =
0,8					= 1,5 МэВ и электронами		с энер-
			( L _	L -
0,6	к	Лне* /
п/.			k - i	e-	гией/Г о= 20 кэВ	( £ —относитель-
и?		1
0.2	f		t			do
	J	1	I		нал толщина резиста)
/1f	юа iOn	fOrt	D,mimm/ui*

и позволяющая ионным пучком формировать рисунок не только на резистивных пленках, но и непосредственно в полупроводни­ ковых, диэлектрических и металлических слоях.

При ионолитографии практически незаметны столь сущест­ венные для электронолитографии эффекты близости. Это связа­ но, в первую очередь, с тем, что масса ионов значительно больше массы электронов и, следовательно, область их рассеяния в слое резиста меньше.

С ростом атомного номера элемента иона область его рассея­ ния в резисте уменьшается. Вторичные электроны, генерируемые в резисте, имеют очень малую энергию, и их пробег не превы­ шает 0,01 мкм.

. Исследования профилей линий, сформированных в пленке ПММА путем экспонирования протонами с энергией 40 кэВ, Показали, что можно получать элементы с субмикронными разме­ рами при соотношении высоты и ширины больше 5:1. Во многих экспериментах было получено разрешение выше 0,5 мкм. Сфор­ мированы окна шириной 40 нм с почти вертикальными стенками в пленке резиста ПММА толщиной 280 нм, облученной пучком протонов с энергией 40 кэВ (доза 2* 10“* Кл/см2) [179].

В качестве резистивных материалов в ионолитографии чаще всего применяются обычные полимерные электронореэисты, од­ нако их характеристики при облучении ионами значительно отли­ чаются от характеристик, получаемых при электронном экспони­ ровании. Потери энергии на единицу длины в резисте у ионов больше, чем у электронов, вследствие чего чувствительность ре­ зистов к ионному экспонированию выше. В частности, чувстви­ тельность резиста ПММА к ионам почти в 50 раз больше, чем к электронам. Поэтому при экспонировании пленки ПММА толщи­ ной 0,2 мкм, например, требуется доза 5 • 10"s Кл/см2 при облу­ чении электронами с энергией 20 кэВ и только 10" 6 Кл/см2 при облучении нонами гелия с энергией 30 кэВ. Приведенные на рис. 54 сравнительные характеристики экспонирования негативного резиста новолака для электронов и различных ионов также ил­ люстрируют более высокую чувствительность к ионному облу­ чению [169].

108

Известно, что чувствительность к электронному облучениюис­ пользуемых в настоящее время резистов различается примерно на четыре порядка величины. При ионном экспонировании, нап­ ример, ионами 0+, чувствительность тех же резистов близка по величине (в пределах одного порядка) [169]. Это позволяет при выборе резистов более полно учитывать .требования по адгезии к подложкам, радиационной стойкости, предельному размеру зер­ на и другим параметрам.

Наряду с полимерными резистами применяются неорганиче­ ские, в частности на основе селенида германия. Особенностью, например, негативного двухслойного резиста Ag2Se (< 10 нм) ~ GeSe2 (< 200 нм) является то, что для его экспонирования дос­ таточно подвергнуть бомбардировке лишь тонкий слой Ag3 Se, из которого начинается миграция серебра в нижний слой QeSe3, в результате чего уменьшится растворимость последнего. Поэто­ му в процессе литографии могут быть использованы ионы с бо­ лее низкой энергией (десятки килоэлектронвольт), чем это не­ обходимо для экспонирования полимерных резистов, для кото­ рых требуется, чтобы ионы проникали во всю толщину слоя.

Применяя негативный селенидогерманиевый резист, можно по­ лучать негативный и позитивный рельеф. В первом случае при экспонировании доза облучения должна составлять ДО13... ,1015ио­ нов/см2. Для формирования позитивного рельефа предвари- tenbHo весь резист облучением с дозой менее 10м ионов/см2 пе­ реводят в нерастворимое состояние (негативный эффект), а за­ тем, сканируя поверхность интенсивным (10и ионов/см2) узким пучком, удаляют (распыляют) в соответствии с конфи­ гурацией рисунка отдельные участки легированного серебром

селенида германия [191] .

При исследовании характеристик таких позитивных полимер­ ных резистов, как полиметилметакрилат, хлорметиловый поли* стирен, полиглицидилметакрилат и ряда других, обнаружено, что после экспонирования сфокусированным пучком ионов галлия и последующей обработки в кислородной плазме создается не позитивный маскирующий рисунок (как при обычной жидкост­ ной обработке), а негативный [177]. Такое необычное поведение резистов может быть объяснено тем, что внедренные в поверх­ ностный слой резиста ионы галлия при кислородной обработке замещаются молекулами Ga3Oj, вследствие чего слой резиста оказывается более устойчивым к травлению в кислородной плазме. Чем выше доза экспонирования ионами галлия, тем меньше глубина травления.

В ионолитографии экспонирование может осуществляться пу­ тем сканирования остросфокусированного пучка ионов по по*

109

Рис. 55. Схема экспонирования остросфокусированным (а) и коплимированным ионным пучком (б) :

1 - источник ионов; 2 - формирующая система; 3 - управляющая систе­ ма; 4 - подложка; 5 - шаблон

Рис. 56. Схема проекционного экспонирования .с уменьшением изображе­ ния:

1 - источник ионов; 2 - шаблон открытого типа; 3 - фокусирующая система; 4 - подложка

верхности образца или путем облучения пластины пучком иоиов, прошедших через шаблон (литография с коллимированным пуч­ ком, аналогичная реитгенолитографии, проекционная) (рис. 55, 56) [НО]. Широкие коллимированные пучки ионов несложно получить обычными ионно-оптическими методами.

Ионно-лучевая литография с коллимированным пучком мо­ жет быть использована для быстрого создания рисунков с эле­ ментами размером 0,5. мкм. Обработка пластины диаметром 100 мм, покрытой резистом ПММА, продолжается всего 2 мин. При снижении температуры нагрева шаблона в процессе экспони­ рования и повышении чувствительности используемых резистов производительность процесса увеличивается.

При проекционной ионолитографии высокое разрешение мо­ жет быть достигнуто на небольшой площади образца, поэтому, как правило, рисунок наносится на пластину или путем много­ кратного проектирования уменьшенного изображения шаблона при шаговом перемещении пластины (рис. 56), или одновремен­ ным мультиплицированием изображения шаблона с помощью многоапертурной линзы [188].

Основнымитрудностями внедрения ионно-проекционной ли­ тографии с уменьшением масштаба является необходимость ис-

m