книги / Методы повышения параметров БИС

где jjjjj- —среднее число радиационно-химических превращений,

приходящееся на 1 эВ поглощенной энергии; х -г*о) - нор­ мированное на единицу распределение концентрации радиацион­ но-химических превращений при „точечном" выделении единицы энергии в точке г о [68].

Распределение концентрации радиационно-химических превра-* щений (в плоскости х, у ) совместно с контрастностью проявле­ ния определяет боковой „уход размера".

Рассеяние электронов в резисте и подложке, относительно боль­ шой их пробег, а также делокализация первичных возбуждений приводит к тому, что при экспонировании электронным пучком происходит нежелательная засветка резиста за пределами зоны обработки. Именно эти процессы определяют то минимальное разрешение, которое может быть достигнуто на практике. Поэто­ му проблеме расширения зоны обработки (так называемым эф­ фектам близости), являющейся фундаментальной проблемой электронолитографии, особенно при формировании изображе­ ний микронных и субмикронных размеров, в последние годы уделяется все большее внимание [71,165,166].

Эффекты близости наблюдаются как при экспонировании от­ дельной фигуры (внутренние эффекты), так ипри экспонировании соседних фигур (внешние эффекты). Первые из нихпроявляются в том, что размер полученной фигуры отличается от размера экс­ понируемой и зависит от дозы облучения: фигуры разных разме­ ров требуют разных доз экспонирования, углы проявляемых фигур оказываются скругленными, форма фигур искажается. Внешние эффекты близости проявляются в зависимости разме­ ров и формы проявленной фигуры от геометрии и доз облучения соседних фигур, в уменьшении зазоров между близко располо­ женными фигурами.

Для характеристики указанных эффектов вводится понятие функции близости у ( г , г',),определяющейконцентрациюрадиа­ ционно-химических превращений в точке г после экспонирова­ ния ее „точечным” электронным пучком в точке поверхности дозой, равной единичному заряду [68]. Тогда при произволь- '.ном^распределении плотности экспозиции Q (г) (в кронах на 1 см3) по поверхности слоя электронореэиста концентрация радиационно-химических превращений в произвольной точке г определится интегралом:

:с (г*) = Я <2 ( ^ )V ( ? , ? ) d r

Если экспонируется совокрность из т фигуру!/, каждой со своей плотностью заряда £>/, то распределение концентрации ра-

й

wvw'p

Рис. 36. Зависимость ширины линии от линейной плотности заряда (Е0 = 20 кэВ; Лр ~ 100 нм; Ацрдд = 1100 нм)

диационно-химических превраще­ ний в каждой точке действитель­ но зависит от геометрии и доз всех соседних фигур, т. е.

o ( r ) = f l IQilJ Г (\?

Линейнаяплотность заряда Кп/сп В связи с тем, что проявленное изображение при электронной ли­ тографии может заметно отличать­

ся от экспонируемого, разрабатываются специальные аппрокси­ мирующие методы обработки, например путем модуляции дозы облучения или модуляции размеров вычерчиваемых линий. Чис­ ленные параметры, требуемые для таких коррекций, рассчиты­ ваются теоретически или определяются экспериментально. При использовании модуляции размеров трудно подобрать общую для всех фигур дозу облучения D0. Поэтому для достижения оп­ тимальных результатов желательно сочетать модуляцию разме­ ров с модуляцией дозы облучения. Однако методы расчета таких комбинированных коррекций пока не разработаны.

Рассмотрим влияние параметров экспонирования на эффекты близости. При малых дозах, облучения, когда количество обрат­ но отраженных электронов невелико, ширина зоны обработки определяется только размерами области рассеяния первичных электронов. При возрастании дозы облучения начинает заметно сказываться влияние обратно отраженных электронов, торможе­ ние которых ,в слое резиста может привести к значительному расширению экспонированной зоны. Типичная зависимость ши­ рины линии от дозы падающего облучения при экспонировании одиночной линии показана на рис. 36. [166].

Важным параметром, влияющим на разрешающую способ­ ность дроцесса электронолитографии, является также толщина резистивной пленки. В более тонких пленках, где область рассея­ ния меньше, эффекты близости проявляются слабее. Из-за силь­ ной зависимости ширины линий от толщины резистивной пленки при неравномерном нанесении резиста возможен разброс геомет­ рических размеров изготовляемых элементов.

Многочисленные исследования показали, что для получения высокого разрешения необходимо использовать не только очень тонкие слои резиста, но и очень тонкие подложки. Это связано с

82

тем, что область, из которой происходит обратное отражение электронов, в тонкой подложке намного меньше, чем в толстой (рис. 37) [165]. Приведенные на рис. 38,39 [166] профили рас­ пределения поглощенной резистом энергии при экспонирова­ нии одиночной линии и системы параллельных линий отчетливо иллюстрируют изменение экспонируемой области с изменением толщины подложки. Отметим, что коэффициент обратного отра­ жения электронов средних энергий постепенно возрастает с рос­ том атомного номера мишени, причем эта зависимость тем силь­ нее, чем меньше ускоряющее напряжение.

Одним из наиболее важных параметров экспонйрующего пуч­ ка, который определяет пространственное распределениерассеян­ ных в резистивной пленке электронов, является ускоряющее напряжение первичных электронов. В области субмикронных размеров предпочтительнее использовать высокие ускоряющие напряжения. Это связано с тем, что область рассеяния первичных электронов с ростом Е сужается, а радиус действия отраженных электронов, пропорциональный Е1, возрастает и они начинаютсоздавать малый, диффузный и почти однородный фон, не влия­ ющий на экспонирование [166]. Уменьшение чувствительностире­ зиста при высоких напряжениях может быть скомпенсировано более высокой яркостью источника электронов.

Для количественного исследования особенностей формирова­ ния изображения в электронорезисте при различных условиях экспонирования и оценки искажений экспонируемого рисунка в зависимости от материала подложки, толщины резиста, плотности облучения, ускоряющего напряжения, перераспределения доз экспонирования между различными элементами рисунка может быть использован пакет прикладных программ, описанный в ра­ боте [71], Он позволяет рассчитывать пространственное распреде­ ление концентрации радиационно-химических превращений, если функция близости измерена и задана в виде некоторой аналитичес­ кой аппроксимации или таблично либо определена теоретически.

Объемная картина двумерного распределения плотности вы­ деленной энергии при экспонировании реальной топологии пред­ ставляет собой пологие плато, разделенные неровным дном (риС. 40). В точках максимума позитивный резист при проявле­ нии быстрее всего растворяется. Седловые точки несут информа­ цию о том, будут ли раздельными или сольются соседние фигуры при проявлении, а точки минимумов - о чувствительности проя­ вителя, при которой в принципе возможно проявление рисунка. Поиск точек максимума осуществляется с использованием мето­ да градиентного спуска, седловые точки отыскиваются модифи­ цированным методом оврагов. Для нахождешщ точек минимума

*83

				Элект ронны й	Рис.	37. Схематическое изображен
				луч	ние взаимодействия пуча в толс­
					той	(в) и тонкой (б) подложках:,
	т ш		ш	т - 2-	1 -	область экспонирования резис­
					та рассеянными электронами; 2 -
	" I	|Р|! V	V	#
		V	Y		резист; 3		—	область рассеяния
		1		Aw	электронов;		4	- тонкая область
		'• ч		5

подложки

а

ёч4

00s

Г)

M

О. g

I/1 . <V 0

м	J3
	Ю'

			$	12	\			1
			*5s’		V	/		1
N .	_ //		Ito51		Ух			/ /
						тт2 ш	J	7а
	/ /		o;		t	-		г
N \_____	*	/			>
	1-	/	1					У
						\ ч 3		0
1 2	J		3				0/

Рис. 38.	Теоретически		рассчитанные			*
' методом Монте-Карло распределения
поглощенной в		резисте	энергии для	Ю‘
=20	кэВ;	Ар = 100	нм:~~-Лподл==		щ	т ор Щ \о
=°°; **”Лподл.л= 540н м ;-« --Л ПОдП=
			подл-		Интервал между лйниямй,от н.&

= 60 нм

Рис. 39. Распределения поглощенной резистом энергии между параллель­

ными линиями при расстоянии между ними	100 нм для/?о—20 кэВ; Ар®
=100 им: —-А подл= °°> — ^пода = 540 нм;	* —4 ~Адода 60 нм________

Рис. 40. Объемная картина двумерного распределения плотности выделен­ ной энергии при экспонировании топологии, обозначенной пунктиром

использован метод золотого сечения. После вычисления значений плотности выделенной энергии в особых точках пакет определя­ ет расположение эквиэнергетических линий. Если плотность энергии, которой соответствует эквиэнергетическая линия, боль­ ше, чем в седловых точках, то такая линия замыкается вокруг каждой самостоятельной фигуры, в противном случае охваты­ вает ряд фигур.

Пакет прикладных программ может использоваться при авто­ матизированном проектировании и подготовке данных наэкспо­ нирование.

К технологическим приемам, направленным на обеспечение наилучших результатов при создании элементов с большим отношением высоты к ширине, относится прежде всего при­ менение позитивного резиста в сочетании с „взрывной” (обрат­ ной) литографией [137] (этот прием аналогичен „взрывной” фотолитографии, описанной в п. 2.2).

Для создания металлических элементов микроэлектронных структур рекомендуется прием, предусматривающий использо­ вание позитивного резиста в сочетании с электрохимической ме­ таллизацией [159]. На поверхность пластины наносят тонкий проводящий слой и пленку резиста. После экспонирования н проявления резиста пластину погружают в гальваническую ван­ ну, где происходит электрохимическое наращивание металличес­ кой пленки в незащищенных резистом местах. При этом очень важно, чтобы стенки отверстий в слое резиста были как можно ближе к вертикальным.

Применением однослойных резистов могут быть обеспече­ ны размеры порядка 1 мкм [112]. При переходе к субмикрон­ ным размерам, когда с целью уменьшения эффектов близос­ ти необходимо использовать более тонкие слои резиста, возника­ ют проблемы, связанные с равномерным.нанесением резиста на поверхность, эрозией резиста в процессе травления подложки плазмой или ионами. Эти проблемы удается решить при нанесе­ нии резиста на подслой полимера толщиной 2...3 мкм или при использовании двух или трех слоев резиста.

В соответствии с одной из методик на подложку наносят­ ся два слоя резиста, подобранные так, чтобы нижний имел не­ много большую чувствительность [92]. Например, в качестве верхнего слоя используют резист'ПММА толщиной 0,4 мкм, в качестве нижнего - сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата толщиной 0,7...1,3 мкм. В нижнем слое после экспонирования и проявления происходит легкое подтравливание, которое способствует полному удалению участ­ ков резиста с осажденной на них впоследствии металлической

85

пленкой. Кроме того, нижний слой, отделяющий пленку ПММА от подложки, способствует уменьшению величины обратного рассеяния электронов. Таким способом удалось получить рельеф в виде золотых полосок шириной 40 нм с интервалом между ни­ ми 80 нм.

В методе съемного согласованного маскирования, основан­ ном на использовании для экспонирования многослойного ре­ зиста электронных лучей и излучения в области глубокого ультра­ фиолета, тонкий слой электронорезиста (0,2...0,4 мкм) нано­ сится непосредственно на гораздо более толстый слой резиста (1...3 мкм), чувствительного к ультрафиолету [112]. Вначале с помощью электронного луча в верхнем слое создается изобра­ жение, которое после проявления служит маской при последую­ щем экспонировании в глубоком ультрафиолете. Эта „согласо­ ванная” маска удаляется в процессе проявления нижнего резис­ та. Метод позволил получить отношение высоты к ширине почти 4:1 для размеров 0,5...5,0 мкм.

Еще один гибридный метод, представляющий собой комбина­ цию электронной и рентгеновской литографии, дает возмож­ ность получить очень большое отношение высоты к ширине при высоком разрешении и точности совмещения за счет исполь­ зования для изготовления маски системы из двух резистивных слоев, разделенных тонкой металлической пленкой. Верхний тонкий слой служит для получения рисунка путем электронно­ лучевого экспонирования, а нижний, толстый слой используется при рентгеновском экспонировании.

В последние годы в элекгронолитографии, как и во всей микро­ электронной технологии, наметилась тенденция к замене „мок­ рых” технологических операций „сухими”, что позволяет прин­ ципиально по-новому организовать технологический процесс и значительно повысить качество изготавливаемых приборов. Весьма перспективным для субмикронной технологии может оказаться нанесение резистивных слоев и их проявление с ис­ пользованием топохимический реакций, протекающих с учас­ тием фотоактивированных атомов и молекул, адсорбированных на поверхности подложки [109].

Рассмотрим основные разновидности электронолитографии. При последовательной электронолитографии экспонирование топо­ логии рисунка осуществляют путем сканирования электронного луча по поверхности пластины,покрытой резистом, с помощью сис­ тем программного управления и ЭВМ. На рис. 41 дано схематичес­ кое изображение типичных электронно-оптических систем электронолитографическнх установок [159]. Такие установки имеют много общего с растровыми электронными микроскопами [64].

8б

Рис. 41. Сканирующие электронолитографические установки:

а - система с круглым гауссовым лучом; б - система с прямоугольным се­ чением луча; в - система с круглым сечением луча; /-источник электро­ нов; 2 — апертура рассеяния; 3 - уменьшающая линза; 4 -устройство гашения луча; 5 - уменьшающая линза; 6 - апертура, ограничивающая луч; 7 - отклоняющее устройство; 8 - уменьшающая линза; 9 - ми­ шень; 10 - конденсорная линза; 11 —квадратная формирующая аперту­ ра; 12 —оконечная линза; 13 - увеличивающая линза; 14 - круглая фор­ мирующая лннэа-

Традиционными источниками электронов в электронолито­ графических установках являются шпилькообраэные вольфрамо­ вые катоды, которые работают при температуре 2500...3000 К и обеспечивают яркость 104 А/(см2 • ср) при ускоряющем нап­ ряжении 10...30 кВ. Большей эмиссионной способностью и вы­ сокой стабильностью обладают катоды из LaB6, имеющие более высокое отношение электронной эмиссии к скорости испарения, чем. вольфрамовые катоды, и в несколько десятков раз более высокую яркость.

Разработана принципиально новая конструкция электронной пушки с катодом с полевой эмиссией, создающая электронный пучок, ток которого примерно в 10 раз больше, чем для подо­ гревных катодов, и более чем в 100 раз превышает ток катодов с полевой эмиссией, используемых в электронных микроскопах. Плотность тока пучка составляет 1500 А/см3. Достоинством ка­ тодов с полевой эмиссией является отсутствие свойственной тер­ мокатодам хроматической аберрации, поскольку все электроны в пучке обладают одинаковой энергией.

87

В большинстве сканирующих систем используются электрон­ ные пучки с гауссовым распределением плотности тока, создаю­ щие на поверхности пластины круглое пятно. Теоретически элек­ тронный пучок может быть сфокусирован до размеров, опреде­ ляемых дифракционным пределом. На практике минимальный размер неотклоненного пучка сильно зависит от ограничений, накладываемых аберрациями, присущими электронной оптике и пучку. Как правило, для обеспечения хорошей четкости литой ширину пучка выбирают равной примерно одной четвертой ши­ рины линии на рисунке. Размер луча легко регулируется путем изменения фокусного расстояния электронных линз. Недостат­ ком сканирующих систем с лучом круглого сечения с гауссовым распределением плотности тока является их низкая производи­ тельность. Поэтому в дальнейшем их использование ограничится исследованиями в наномикронном диапазоне геометрических размеров создаваемых структур, изготовлением прецизионных шаблонов.

С целью ускорения электронолитографического процесса бы­ ли разработаны сканирующие установки с электронным пучком, имеющим прямоугольное сечение переменного формата. Ширина луча выбирается несколько меньшей или равной минимальному размеру элемента рисунка, формируемого на пластине. Поэтому за одинаковое время пучком с прямоугольным сечением можно проэкспонировать значительно большую часть рисунка схемы, чем в традиционных сканирующих системах. Вообще формирую­ щие апертуры могут иметь произвольную конфигурацию, поз­ воляя преодолевать ограничения прямоугольных геометриче­ ских форм.

Наиболее прогрессивным методом формирования пучка яв­ ляется метод проецирования символов. Он обеспечивает одно­ временное проецирование комплексных ячеек рисунка, содер­ жащих множество точек изображения, и предельную скорость экспонирования. Сложность конфигураций формирующих апер­ тур определяет уровень специализации устройств такого типа. Этот метод электронолитографии наиболее перспективен для крупносерийного производства СБИС.

Для вычерчивания топологии ИС применяют два способа пере­ мещения пучка электронов по подложке: растровое и вектор­ ное сканирование [40, 59,74, 75,159]. При растровом сканиро­ вании пучок проходит по всей поверхности пластины, включаясь и выключаясь в соответствии с заданным рисунком. При растро­ вом скаштровашш можно создавать как позитивные, так и нега­ тивные изображения. Часто одного цикла сканирования для пол­ ной экспозиции резиста оказывается недостаточно и приходится

88

проводить несколько таких циклов. Поскольку во всех циклах луч перемещается по одной и той же траектории, искажения, вы* эываемые вихревыми токами и гистерезисными явлениями в отклоняющей системе, несложно компенсировать.

При векторном сканировании луч перемещается только по тем участкам пластины, которые должны быть проэкспонированы. Здесь ошибки в системе отклонения недопустимы. Экспони­ рование каждого элемента рисунка может выполняться путем последовательного передвижения пучка вдоль точек для созда­ ния рисунка или осуществления режима линейной развертки вдоль простых растровых фигур типа прямоугольник, паралле­ лограмм и другие простые фигуры, на которые могут быть раз­ биты сложные рисунки [40]. Пилообразное напряжение разверт­ ки вырабатывается только на протяжении строки указанных фи­ гур, длина строки задается цифровыми кодами. Выбор одного из возможных вариантов движения пучка определяется конфи­ гурацией микроэлектронной структуры.

Векторное сканирование особенно эффективно в тех случаях, когда различные участки рисунка в зависимости отих местополо­ жения требуют различной дозы экспонирования. Подобного рода ситуа1щя возникает тогда, когда размеры элементов рисунка составляют микрометры (и меньше) и вследствие эффекта бли­ зости происходит частичная засветка соседних участков. При векторном сканировании корректирующие данные легко вклю­ чить в описание рисунка. Для осуществления такого сканирова­ ния необходимы прецизионные отклоняющие устройства, удов­ летворяющие противоречивым требованиям высокой точности и быстродействия, а также высокоточные цифро-аналоговые преобразователи [75].

Поскольку площадь дюля экспонирования при последователь­ ной электронолитографии ограничена несколькими квадратны­ ми миллиметрами, то для обработки всей пластины ее необходим мо перемещать. Известны два подхода: с непрерывно движу­ щимся столом и шаговый. В первом случае растровое сканирова­ ние луча и перемещение стола производится в ортогональных направлениях (рис. 42, а) [73, 159]. Скорость движения стола выбирается такой, чтобы за время перемещения луча вдоль ли­ нии сканирования и обратно стол сместился на ширину линии. Такие системы более производительны, они предъявляют менее жесткие требования к электронной оптике и отклоняющим сис­ темам, так как угол отклонения луча невелик. Совмещение ри­ сунка производится один раз для всей пластины,.но при этом не­ обходима корректировка дрейфа луча.

В шаговых системах вначале производится экспонирование фрагмента рисунка пластины в пределах поля сканирования, за-

89

Рис. 42. Схематическое изоб­ ражение различных вариан­ тов размещения рисунка на большой площади:

а - непрерывное перемеще­ ние пластины с одновремен­ ным растровым сканиро­ ванием; б - шаговое пере­ мещение в системах с век­ торным сканированием; в — шаговое перемещение в сис­ темах с растровым ска­ нированием

тем рабочий стол с образцом перемещается в новое положение

иначинается экспонирование следующего фрагмента. Рис. 42,6,

виллюстрирует применение шагового перемещения стола в сис­ темах с векторным и растровым сканированием. Особенно эф­ фективно сочетание шагового подхода с векторным сканирова­ нием. Шаговые системы применяются при изготовлении БИС с особо малыми размерами элементов, когда за один прием пол­ ностью экспонируется вся структура и, следовательно, ошибки сшивания частей рисунка, обусловленные неточностью переме­ щения стола, становятся несущественными. Дрстоинством мето­ да является малая чувствительность к дрейфу луча и искривле­ нию пластины.

Совмещения в электронолитографических устройствах произ­ водятся по специальнымметкам (юсшровочным знакам), наноси-

90