Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы литографии 15
1.1 Основные понятия литографии 15
1.1.1 Фотолитография, ее свойства 15
1.1.2 Фоторезисты. Классификация. Основные характеристики.. 24
1.1.3. Основные технологические факторы в полупроводниковом производстве 27
1.2 Успехи фотолитографии 28
1.2.1. Неоптические методы литографии 31
1.2.2.Сравнение оптических и неоптических видов литографии. 32
1.2.3. Оптическая литография 34
1.2.4. Рентгеновская технология 38
1.3. Основные области использования ВУФ излучения в полупроводниковой технологии 41
1.4. Фоторезисты для ВУФ 44
1.4.1. Применения неорганических резистов 45
1.5. Источники ВУФ 46
1.5.1. Эксимерные лазеры 46
1.5.2. Лазерно-плазменные источники 48
1.5.3. Лазеры с диодной накачкой 51
Глава2. Методика эксперимента 54
2.1 Общие принципы работы эксимерных лазеров и их технические характеристики. 54
2.1.1. Основы работы эксимерных лазеров 55
2.1.2. Выходная стабильность 59
2.1.3. Пространственная неоднородность 61
2.1.4. Спектральная ширина 62
2.1.4. Пространственная когерентность 62
2.2. Описание экспериментальной установки 63
2.3. Описание технологического блока 66
Глава 3. Создание периодических структур с характерными размерами, меньшими длины волны актиничного излучения 71
3.1. Расчет распределения интенсивности на поверхности фоторезиста в условиях контактной литографии 82
3.2. Получение периодических структур с шириной полосы 0.1мкм контактной печатью на тонких пленках сульфида мышьяка при использовании импульсного излучения эксимерного лазера ... 77
Глава 4. Фотоиндуцированные трансформации, вызванные излучением высокой мощности 81
4.1 Моделирование фотохимических превращений и фотопотемнения пленок фоторезистов под действием импульсного вакуумного ультрафиолетового излучения 83
4.2. Эффект усиления контраста передачи изображения при 93
взаимодействии вакуумного ультрафиолетового излучения с пленками неорганических фоторезистов
Глава 5. Исследование абляции тонких пленок неорганических материалов под действием излучения эксимерного лазера 102
5.1. Исследование абляции аморфных алмазоподобных пленок... 107
5.2. Исследование абляции пленок оксида индия ПО
5.3 Исследование абляции пленок оксида титана 113
5.4 Исследование воздействия излучения эксимерного лазера на пленки оксида хрома и твердых растворов сульфида самария/сульфида иттрия 116
Выводы 117
Заключение 118
Список литературы 122
- Успехи фотолитографии
- Фоторезисты для ВУФ
- Описание экспериментальной установки
- Получение периодических структур с шириной полосы 0.1мкм контактной печатью на тонких пленках сульфида мышьяка при использовании импульсного излучения эксимерного лазера
Успехи фотолитографии
Основными ключевыми технологическими факторами в производстве полупроводниковой продукции являются: разрешение, совмещение, размер чипа, размер подложки, маски [9]. К 1999 году разрешение достигло 0.18мкм [1], а точность совмещения 12нм [10]. Размер подложки - 200мм [11]. Наиболее фундаментальными факторами, сдерживающими прогресс в развитии масок являются: контроль за размерами изображения, положение элементов и дефекты. Большое разрешение может быть получено путем увеличения числовой апертуры (NA), уменьшения длины волны и использования высококонтрастного нелинейного фоторезиста [12]. Следует отметить, что основным источником ошибок для безаберрационных проекционных оптических систем является дефокусировка, ширина для которой обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры: A/2(NA) . Поэтому уменьшение длины волны предпочтительнее, чем увеличение числовой апертуры, как будет обсуждаться ниже. Дефокусоровка является результатом нескольких факторов: ошибки в фокусировке, кривизны подложки и неполной планаризации между литографическими шагами. И хотя оптическая проекционная система обычно проектируется таким образом, чтобы работать вблизи теоретического предела дифракции, на практике дефокусировка является основным источником ухудшения качества. Литография высокого уровня продолжает играть ключевую роль в повышении уровня интеграции микросхем. Крутой рост реализующейся степени интеграции явился основанием так называемого "закона Мура" в первоначальной его формулировке: "интеграция увеличивается вдвое каждый год". Эта закономерность соответствовала действительности несколько более десяти начальных лет развития микроэлектроники, но далее, начиная со второй половины 70-х, ход зависимости несколько замедлился, что заставило Мура искать другие формулировки.
Сначала появился модифицированный закон Мура [11]: "два раза в два года". А в настоящее время рост уровня интеграции увеличивается в четыре раза примерно каждые три года. К 1999 году он достиг величины 21 миллион транзисторов на кристалл, и в 2000 году продолжилось развитие литографического процесса на данном уровне с размерами элементов 150нм и 175 нм [3]. Ключевым моментом, обеспечивающим в течение последних 30 лет беспрецедентные темпы развития микроэлектроники, являлась возможность непрерывного уменьшения минимального характеристического размера элементов интегральных схем атіп. До последнего времени здесь прогресс обеспечивался некоторыми усовершенствованиями фотолитографии, использовавшей часть видимого и ближний ультрафиолетовый диапазоны электромагнитного излучения. На сегодняшний день таким способом уже достигнуто субмикронное разрешение, характеризуемое атіп=0А8мкм [1]. Анализ тенденций дальнейшего уменьшения минимального характеристического размера элементов ИС , amin, показывает неизбежность выхода в ближайшие 10-15 лет в нанометровый диапазон с размерами атіп—\0-\00 нм [1]. Это делает чрезвычайно актуальным поиск новых технических решений, обеспечивающих необходимый прогресс микролитографии. Однако возможности оптических систем здесь ограничены дифракционным пределом, а дальнейшее уменьшение длины волны наталкивается на проблемы выхода в вакуумноультрафиолетовый (ВУФ) диапазон. Эти проблемы связаны, в частности, с отсутствием в природе оптически прозрачных материалов, пригодных для построения оптических систем и для фотошаблонов, а также с трудностью создания эффективных источников излучения в этой области длин волн. На рис. 1.7(a) приводится зависимость атіп от текущего момента времени [11]. Очевиден непрерывный процесс, характеризуемый экспоненциальным уменьшением этой величины в течении всего времени развития микроэлектроники с одним и тем же показателем степени, соответствующим уменьшению атіп на 13% ежегодно.
Однако, как уже отмечалось, возможности оптических систем ограничены дифракционным пределом, разрешаемая полоса не может быть существенно уже длины волны света (см. критерий Рэлея), а дальнейшее уменьшение длины волны наталкивается на проблемы выхода в вакуумно-ультафиолетовый диапазон. Возникающие проблемы связаны, в частности, с отсутствием в природе оптически прозрачных материалов, пригодных для построения оптических систем и подложек для фотошаблонов, а также с трудностью создания эффективных источников излучения в этой области длин волн. Все это делает чрезвычайно актуальным поиск новых технических решений, обеспечивающих необходимый прогресс микролитографии.
Фоторезисты для ВУФ
В качестве позитивного радиационного резиста в микроэлектронике до недавнего времени использовался ПММА благодаря его высокой пространственной разрешающей способности. Однако существенным неостатком ПММА является низкая чувствительность ко всем видам радиационного облучения (электронное, рентгеновское), что делает его неприменимым на практике [23,57]. Одним из путей решения проблемы является добавление (около 10%) материала, увеличивающего поглощение. Таким образом получают высокое разрешение и хорошую чувствительность. Абляции ПММА уделялся большой интерес из-за перспективности ее использования в полупроводниковой промышленности и медицине [57]. При помощи абляции на длине волны 248нм (плотность энергии излучения 500mJ/cmz, 10 импульсов на частоте 1Гц) получено изображение в слое полимида 1-2мкм. Однако это на порядок хуже результатов, полученных на алмазоподобном резисте [4]. Большинство новых резистов являются т.н. химически усиленными резистами [28]. В этих резистах химия литографического процесса не управляется непосредственно фотонами, поглощенными на этапе экспозиции. Кислота, образованная во время экспозиции является катализатором химических изменений в резисте на этапе отжига, проводимого сразу после экспозиции. Так как реакция каталитическая, то одна молекула кислоты может принимать участие в нескольких реакциях. В результате поглощения одного фотона достаточно для проведения нескольких химических реакций, что проводит к тому, что химически усиленные резисты являются очень быстрыми резистивными материалами. Скорость является наибольшим преимуществом химически усиленных систем. Эти материалы обладают так же очень высоким контрастом у=5-10 (ср. у=2-3 для Novolak резиста) и высоким разрешением.
Из каталитической природы химически усиленных резистов вытекает их наибольший недостаток - это плохая воспроизводимость. Если каталитическая реакция прерывается по какой-либо причине, то многие литографически важные реакции не могут идти, приводя к катастрофическому отказу резиста. Чаще всего реакция прерывается из-за проникновения в фоторезист воздуха и нейтрализации образующейся в результате фотореакции кислоты. В результате на поверхности образуется слой, мешающий нормальному проявлению ФР. Кроме того, важен строгий контроль за однородностью температуры и временем отжига. Наконец, химически усиленные резисты становятся все более и более сложными. Если Novolak. резист состоит из двух компонент, то некоторые новые резисты для Я=193нм содержат уже шесть компонет. Такие системы стоят дорого и сложны в производстве. 1.4.1 Применения неорганических резистов. Разработка новых ФР ведется постоянно. В настоящее время значительное внимание уделяется неорганческим ФР [21,24,27,34,37,58]. Это связано в т.ч. и с тем, что органические полимерные резисты не подходят для вакуумной литографии, т.к. полимеры содержат большое количество летучих растворителей и воду [59]. С другой стороны, пленки, применяемые в производстве полупроводниковых материалов, формируются напылением (металлы, нитрид кремния, поликремний, кварц) или окислением (оксид кремния). Поскольку непосредственно после нанесения пленок (А1, SiC 2 и т.д.) их поверхности являются чистыми, скорейшее нанесение резиста может позволить избежать дорогостоящих операций очистки пластин. К сожалению, существует большой временной разрыв между "горячими" процессами напыления или окисления и жидкостными литографическими процессами, в которых на пластину наносится резистное покрытие. Прежде чем пластина попадет на литографию, ее поверхность неизбежно загрязняется во время хранения и транспортировки. Предотвращение, обнаружение, контроль и идентификация таких загрязнений требуют сложного и дорогостоящего оборудования. Одним из путей решения проблемы является использование неорганических резистов, что даст возможность создать единую систему, позволяющую наносить рабочие слои и слои фоторезистов. Органические резисты наносятся обычно центрифугированием. Для обеспечения совмещения при формировании субмикронного изображения оптическим степлером требуется, чтобы неравномерность толщины резистного слоя не превышала ±10 нм. В противном случае возникают ошибки в системе совмещения, основанной на обнаружении меток совмещения под слоем резиста. Неорганические резисты могут наноситься вакуумным напылением, позволяющим создавать однородные тонкие пленки. Причем сильное поглощение позволяет использовать для субмикронной литографии резисты толщиной всего ЮОнм. Эксимерные лазеры, конечно, не первые ультрафиолетовые лазеры. Ионные лазеры, ионные лазеры с удвоенной частотой и YAG лазеры используются в микроэлектронном производстве, хотя их выходная мощность менее 1 ватта. В эксимерном лазере высокая энергия в импульсе в комбинации с малой длительностью импульса дает выходную мощность более 1 ОМВт.
Это открывает возможность для интересных применений, таких как фотоабляция, или, проще говоря, прямое фототравление [17]. Первоначально предполагалось, что это полностью фотохимический процесс, в котором импульс эксимерного лазера обеспечивает разрыв связей в веществе и излишняя энергия поглощается фрагментами материала, которые удаляются из облучаемой области [17]. В дальнейшем предположили, что у процесса есть термическая составляющая [18]. Как бы то ни было, существует резкий порог по плотности энергии для такого процесса и окружающий материал в процесс не включается. Такой резкий контраст весьма интересен с точки зрения поиска самопроявляющегося резиста. В настоящее время ведутся дальнейшие разработки по эксимерным лазерам. С одной стороны с целью дальнейшего продвижения в УФ область, с другой стороны, с экологической точки зрения безопаснее работать со средой, не содержащей фтора. В этой связи в НИИЭФА им.Д.В.Ефремова были проведены теоретические и численные исследования, посвященные кинетике, электрофизическим и оптическим проблемам, связанным с созданием лазеров на димерах инертных газов (Хег - 172нм, Кл 2 - 147нм, Аг2
Описание экспериментальной установки
Работа проводилась на исследовательском стенде с контактным литографом и эксимерным излучателем. Стенд оснащен моноимпульсным вариантом лазера "Светлана", созданного в НИИ ЭФА им.Ефремова. Такой лазер позволяет проводить облучение исследуемых образцов с частотой следования импульсов до 0.2Гц и энергией излучения до 0.4Дж на длине волны 248нм (KrF) и 0.25Дж на длине волны 193нм (ArF). В состав экспериментального стенда входит, кроме того, установка совмещения и экспонирования, что позволяет провести полный цикл исследований, включая создание рисунка ИС. Оптическая схема эксперимента приводится на рис.2.3. На рис.2.3(a) приводится схема, используемая для проведения предварительных экспериментов по взаимодействию излучения с поверхностью различных материалов. В этом случае часть излучения (6%) при помощи делительной пластины отводится на измеритель мощности (ИМО), а основное излучение, проходя через прямоугольную диафрагму, попадает на поверхность исследуемого образца. На рис.2.3(б) приводится оптическая схема экспериментов по созданию рисунка на поверхности образца. В этом случае использовались растры дифракционных линз для выравнивания освещенности при контактной литографии.
Особенностью излучения эксимерных лазеров с газоразрядной накачкой активной среды является сравнительно большие размеры лазерного пучка и высокая неравномерность распределения интенсивности в нем по обеим координатам [69]. Для реализации ВУФ литографических процессов величину неравномерности освещенности необходимо привести в соответствие с требованиями современной литографии (±3% [70]), что достигалось в различных работах либо путем дифрагирования лазерного пучка, либо сканированием по выходному зрачку оптической системы. Потери по мощности при этом составляли 60-80% и более. Для выравнивания интенсивности ВУФ излучения нами использовались растры дифракционных линз со следующими параметрами: -материал подложки - кварцевые пластины КУ-1 размерами 102x102x1.5мм, пропускание которых на А,=193нм составляет 86-87% , из них потери на отражение 9-10%; -размер рабочего поля растров 50x5 0мм2; -для более полного заполнения сферическими линзами рабочего поля растра (что необходимо для уменьшения потерь), каждая линза была вписана в квадрат 2x2мм; -линзы изготовлялись по одноступенчатой технологии [71] и содержали элементы с прямоугольной формой профиля, глубина профиля - 0.09мкм, минимальная ширина элементов - 2.5мкм; -фокусное расстояние каждой линзы на А,=193нм - 18мм. Для подавления нулевого порядка в проходящем через растр излучении, требуется обеспечить с высокой точностью равенство суммарных площадей поверхностей штрихов и промежутков между ними в рельефной структуре линзы. Для чего уход линейных размеров от номинала не должен превышать SA, 2-3%. Кроме того, глубина профиля должна обеспечиваться по рабочему полю с точностью А1 5нм. Равномерное (в пределах 3%) распределение интенсивности ВУФ излучения обеспечивалось по 90% рабочего поля с 30% "выбросом" на 10%шющади в его центре.
Следует отметить, что размеры рабочего поля растут при увеличении фокусного расстояния линзы осветителя при практически неизменной площади нулевого порядка, что позволяет в принципе улучшить характеристики данного осветителя. Таким образом, для создания рисунка на поверхности образца применялась следующая схема (рис.2.3(б)). Часть излучения(6%) при помощи делительной пластины отводится на измеритель мощности (ИМО), а основное излучение, проходя через собирающую линзу, попадает на растровую систему, а затем, через ФШ направляется на образец. Лазер оптически совмещался с механической частью стандартной установки совмещения и экспонирования. В процессе эксперимента мы не предпринимали никаких специальных мер, позволяющих уменьшить зазор между образцом и шаблоном 8, что дает основания считать его имеющим порядок 5-10мкм. Для определения разрешающей способности использовались штриховые миры: с минимальным размером элементов яш г=300нм, изготовленная электронолитографическим способом на кварцевой пластине с хромовым покрытием, и с аотгй=100 нм (шаг 200 нм), изготовленная интерференционным (голографическим) методом [72] на пластинке из монокристаллического MgF2 вакуумно-ультрафиолетового качества, выращенной в вакуумном реакторе, с золотым покрытием.
В состав экспериментальной установки, помимо излучателя света, входит технологический блок с энергетической и газовой системами, а так же вакуумным оборудованием. Данный блок предназначен как для обеспечения стабильной работы лазера в режиме излучения, так и для замены газовой смеси после ее деградации. Газовая схема лазера представлена на рис.2.4. Газовая камера выполнена из нержавеющей стали и снабжена окнами для входа и выхода газового потока. На боковых стенках камеры установлены оптические окна, внутренние поверхности которых совпадают с плоскостями стенок камеры. Для приготовления газовой смеси применяются чистые газы (99%). Использовались рабочие смеси: В качестве источника F2 применяется газовая смесь F2+He с содержанием фтора 10%. Перед приготовлением новой рабочей смеси необходимо удалить отработанную смесь. Для этого вначале сбрасывают со скоростью 1 атм/мин избыточное давление газовой смеси через ХПИ (химический поглотитель известковый) (открыты вентили 6, 7, 8, 10). Сброс смеси контролируется по манометру. После того как давление в камере достигнет 1ата, начинается откачка объема камеры форвакуумным насосом через ХПИ (закрыт вентиль 10, открыт вентиль 11), а дальнейший контроль производится по вакууметру (открыт вентиль 1). Когда давление в лазере достигнет значения 10торр, то дальнейшая откачка ведется через азотную ловушку (закрыты вентили 8 и 11, открыты вентиль 12 и 9). При этом контроль за вакуумом ведется по вакууметру ВИТ-2 (на схеме обозначен ПМТ-4М - преобразователь манометрический термопарный). Камера считается готовой для напуска новой газовой смеси, когда показания ВИТ-2 достигнут 5-8мВ. Вакуумная
Получение периодических структур с шириной полосы 0.1мкм контактной печатью на тонких пленках сульфида мышьяка при использовании импульсного излучения эксимерного лазера
Важным является вопрос определения практического разрешения контактной литографии при использовании вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения. Такая методика позволяет на традиционных установках совмещения и экспонирования использовать в качестве источника ВУФ излучения эксимерный лазер, обладающий рядом преимуществ, таких как высокая плотность мощности в импульсе и строгая монохроматичность излучения. В работе изучалось взаимодействие излучения эксимерного лазера, работающего на длинах волн 308, 248, 193 нм, с широким кругом неорганических материалов, наносимых на подложку в виде тонких пленок различными методами. Среди испытанных слоев СГ2О3, AS2S3, AsSe, SmS, Ті02, и ряд других. Результаты этих исследований приведены в Главе 5. Отметим лишь, что для достижения высокой разрешающей способности может оказаться полезным обнаруженный в [30] эффект увеличения контраста передачи изображения. Целью настоящей работы была прямая проверка возможности получения сверхвысокого разрешения контактной печати на пленках AS2S3 при использовании импульсного излучения эксимерного лазера. В экспериментах использовалась лабораторная установка, описанная в Главе 2. Слои As2S3 толщиной в 800-1000 А наносились испарением в вакууме на полированные полупроводниковые подложки из кремния и арсенида галлия. Применялась комбинированная техника сухого и жидкостного проявления. Предварительные эксперименты были выполнены на кварцевых фотошаблонах с эксимерным лазером при использовании KrF в качестве активной среды (249нм). Был получен отпечаток затвора высокочастотного полевого транзистора шириной О.Змкм двумя импульсами 10мДж/см в слое AS2S3 толщиной 0.2мкм. При стандартном жидкостном проявлении хорошо воспроизводятся особенности шаблона, характеризуясь довольно крутым краем (размытие 6 =70нм). Наконец, на рисунках 3.3а и 3.36 воспроизводится основной результат выполненного эксперимента: вид сверху и скол - соответственно, отпечатка, полученного при использовании интерференционного фотошаблона (ато„=100нм). Анализ электронно-микроскопических изображений показывает реализацию минимального размера, характеризуемого шириной штриха ато„=80нм, что соответствует разрешающей способности (число штрихов, разделенных равными штриху зазором, на один миллиметр) Я=6250. Уменьшение ширины штриха, по-видимому, связано с интерференционной засветкой тени.
Интересно, что край полосы As2S3 является весьма крутым, и величина 8 не превышает нескольких нанометров. Отметим также существенное "падение чувствительности": экспозицию составили 50 импульсов м=7мДж/см2, тогда как для воспроизведения затвора полевого транзистора было достаточно двух импульсов 1 ОмДж/см . Таким образом, проведен анализ процесса формирования на поверхности образца интерференционной картины в условиях контактной литографии с регулируемым зазором и фотошаблоном с периодическим рисунком. Линейные размеры ФШ в рассматриваемой модели значительно превосходят линейные размеры образца и величину зазора между фотошаблоном и поверхностью образца. Продемонстрирована теоретическая возможность создания периодического рисунка, с периодом, равным периоду ФШ, даже в том случае, когда зазор между фотошаблоном и поверхностью образца на порядок превосходит длину волны излучения, а период ФШ сравним с длиной волны излучения. При определенных соотношениях длины волны актиничного излучения, периода структуры и зазора возможно получение изображения с периодом в два раза меньшим периода рисунка фотошаблона. Кроме того, продемонстрирована практическая возможность сверхвысокого разрешения в условиях контактной печати, когда длина волны актиничного излучения вдвое превосходит межэлементный зазор, а зазор между шаблоном и подложкой велик. Полученная минимальная полоса составила атіп=80нм, что соответствует разрешающей способности і?=6250. Следует отметить, что высокое качество полученного изображения, по-видимому, является следствием нелинейного взаимодействия ВУФ излучения с исследованным тонкими пленками. Это приводит к эффекту усиления контраста передачи изображения, рассмотренному в следующей главе. Такой эффект становится особенно важным при создании непериодических и одиночных элементов
