Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современные материалы и приборы СВЧ диапазона и области их применения 13
1.1 Общие характеристики и понятие приборы СВЧ диапазона 13
1.1.1 Конструкция типичного СВЧ транзистора и принципы его работы 13
1.1.2 Основные СВЧ характеристики транзистора 19
1.2 Конструкции различных приборов СВЧ диапазона 23
1.2.1 МДП транзисторы 23
1.2.2 Полевые транзисторы с затвором Шоттки 25
1.2.3 Изоморфные транзисторы с двумерным электронным газом 26
1.2.4 Псевдоморфные транзисторы с двумерным электронным газом и односторонним легированием 27
1.2.5 Псевдоморфные транзисторы с двумерным электронным газом и двухсторонним легированием 29
1.2.6 Метаморфные транзисторы с двумерным электронным газом на подложках GaAs и транзисторы на подложках ІпР 30
1.2.7 Метаморфные гетероструктуры на подложке GaAs 31
1.2.8 Транзисторы на нитриде галлия с поляризационно-наведенным каналом 32
1.2.9 Сравнение мощностных и высокочастотных характеристик СВЧ транзисторов 33
1.3 Выводы 36
Глава 2 Современные методы формирования затвора и контактной группы СВЧ транзисторов 39
2.1 Гетероструктурная технология формирования СВЧ-приборов 39
2.1.2 Особенности технологического процесса изготовления транзисторов 40
2.2 Сравнительный анализ существующих литографических систем и их применимости для изготовления затворов транзисторов 40
2.2.1 Электронно-лучевая литография 43
2.2.2 Проекционная литография 45
2.2.3 Импринтная литография 49
2.2.4 Рентгеновская литография 50
2.2.5 Ионно-лучевая литография 52
2.2.6 Контактная фотолитография 53
2.3 Классификация основных схем технологических маршрутов изготовления субмикронных затворов транзисторов 55
2.3.1 Изготовление субмикронного затвора прямоугольной формы, с использованием двухслойной резистивной маски 55
2.3.2 Использование трехслойной резистивной маски 56
2.3.3 Альтернативные методы формирования затвора 58
2.3.4 Изготовление субмикронного затвора грибообразной формы 60
2.3.5 Изготовление затвора грибообразной формы с использованием двухслойной резистивной маски 62
2.3.6 Процесс изготовления грибообразного затвора с использованием трехслойной резистивной маски - одна литография. 64
2.3.7 Процесс изготовления грибообразного затвора с использованием многослойной резистивной маски 65
2.3.8 Методы изготовления затвора грибообразной формы с использованием нескольких литографий с многослойными резистивными масками 67
2.3.9 Косвенные методы формирования затвора 68
2.4. Выводы 70
Глава 3 Технологический процесс контактной фотолитографии с использованием двухслойной резистивной маски. Выбор материалов и оборудования использованного в работе . 75
3.1 Обработка подложек перед нанесением фоторезиста 75
3.2 Нанесение резиста 82
3.3 Сушкарезиста 87
3.4 Совмещение и экспонирование резистов 96
3.5 Проявление резистов 99
3.6 Вакуумное напыление 103
3.7 Допроявление пластин 105
3.8 Операция «взрыва» 107
3.9 Контроль в УФ микроскопе 107
3.10 Анализ материалов, используемых в технологическом процессе контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете с использованием двухслойной системы резистов 108
3.10.1 Выбор резиста для верхнего слоя маски 109
3.10.2 Выбор резиста для нижнего слоя маски 112
3.11 Выводы 115
Глава 4 Экспериментальные исследования получения субмикронных затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов методом контактной ультрафиолетовой фотолитографии 117
4.1 Выбор пары резист - проявитель для формирования субмикронных размеров элементов топологии 117
4.2 Исследование зависимостей минимального размера элемента от дозы экспонирования 121
4.3 Исследования по подбору пары верхний — нижний резист 124
4.4 Экспериментальные исследования технологического изготовления затворов для транзисторов на основе GaAs и GaN 126
4.4.1 Технологические факторы, влияющие на результат 126
4.4.2 Технология изготовления затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов 128
4.4.3 Экспериментальные исследования технологического изготовления затворов для транзисторов на основе GaAs 131
4.4.4 Экспериментальные исследования технологического процесса изготовления затворов для транзисторов на основе GaN 132
4.5 Выводы 133
Глава 5 Параметры СВЧ транзисторов, изготовленных по усовершенствованной технологии контактной УФ фотолитографии 136
5.1 Методика определения параметров изготовленных транзисторов 136
5.2 СВЧ параметры рНЕМТ транзисторов на GaAs 136
5.3 Параметры, полученные для НЕМТ транзисторов на нитриде галлия 139
5.4 Выводы 140
Заключение 141
Список использованной в работе литературы 143
- Конструкции различных приборов СВЧ диапазона
- Сравнительный анализ существующих литографических систем и их применимости для изготовления затворов транзисторов
- Анализ материалов, используемых в технологическом процессе контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете с использованием двухслойной системы резистов
- Исследование зависимостей минимального размера элемента от дозы экспонирования
Введение к работе
Стремительное развитие элементной базы СВЧ приборов,
происходившее в течение последних 20 лет, создало предпосылки для
развития высокоскоростных телекоммуникационных, информационных и
военных систем. Основной тенденцией в развитии при этом является
использование функциональных объектов малых размеров
(наноструктур). В полупроводниковой электронике
сверхвысокочастотного диапазона микроминиатюризация приборов требует применения элементов, размеры которых составляют несколько десятых микрона. В настоящее время, наряду с глобальной компьютеризацией, происходит революция в сфере телекоммуникаций, которые по темпам роста опережают все другие технологии. По уровню развитости телекоммуникационных технологий сейчас оценивается научный, производственный и оборонный потенциал любого государства. В этой важнейшей области науки и техники наибольшую эффективность показала технология СВЧ приборов, базирующаяся на гетеропереходных структурах полупроводниковых соединений А3В5. Именно с этой твердотельной технологией, обеспечивающей наивысшие скорости передачи информации, наибольшие дальность и точность в радиолокации, малые габариты и высокий коэффициент полезного действия, связываются последние достижения и дальнейшие перспективы в области телекоммуникаций и систем вооружений. Научные результаты и быстро достигнутая промышленная «зрелость» гетероструктурнои технологии сделали возможным создание нового поколения наземных и бортовых радиолокаторов на активных фазированных антенных решетках (АФАР) для обзора, разведки, обнаружения, слежения и наведения на цели, а также для радиоэлектронной борьбы, систем спутниковой связи и цифрового телевидения, оптоволоконных линий связи, цифровых радиорелейных линий связи, беспроводных систем связи
широкополосного доступа миллиметрового диапазона с невиданным ранее увеличением числа каналов, скорости и объемов передаваемой информации, обеспечивающих предоставление услуг мультимедиа, таких, как видеоконференции, дистанционное обучение, передача сложнейших медицинских изображений, высокоскоростной интернет, сотовой телефонии, включая цифровую связь 3-го поколения.
Главным стимулятором развития микроэлектроники является передача цифровой информации (передача данных), в том числе, связи с интернетом — цифровая телефония 3-го поколения, включающая двустороннюю голосовую и видеосвязь, и передачу данных со скоростями до 2Мбит/сек.
Движущая сила этого рынка - стремление к более высоким частотам (до 5ГГц и выше), к цифровой технике связи, к обладанию несколькими полосами частот, потребностью в усилителях с лучшей линейностью и коэффициентом полезного действия, с меньшим весом и габаритами, с пониженным напряжением питания и более длительным временем разговоров без подзарядки батарей.
Рынок телекоммуникаций в своем большинстве занимает волоконно-оптическая связь, потребляющая высокоскоростные цифровые и СВЧ интегральные схемы мм-диапазона на частоты до 40 и бОГГц. На этом рынке гетероструктурная технология не имеет себе равных и полностью доминирует. Также быстро развиваются и системы спутниковой связи на 20-40ГГц, и межспутниковой связи в полосе бОГТц. В последние годы активно ведутся работы по беспроводным цифровым радиорелейным линиям связи «точка-точка» на частоты 20-40ГТц и беспроводным сетям широкополосного доступа LMDS на частоты 20-40ГГц с предоставлением услуг мультимедиа (видеоконференции, дистанционное обучение, интернет, передача медицинского изображения и т.д.).
Для работы в высокочастотных диапазонах в качестве усилительных каскадов используются, в основном, полевые транзисторы с двумерным электронным газом (High Electron Mobility Transistor - HEMT) и гетеропереходные биполярные транзисторы (Heteroj unction Bipolar Transistor - HBT).
Арсенид галлия был первым соединением А3В5, получившим широкое распространение.
Данная работа посвящена решению проблемы создания
быстродействующих полупроводниковых приборов и разработке технологии
получения субмикронных размеров гетероструктурных
сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов методом фотолитографии.
Актуальность работы связана с ограниченной возможностью в
российских условиях (в виду высокой стоимости оборудования) получения
субмикронных затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов методами,
отличными от контактной фотолитографии, которая является самым
доступным с экономической точки зрения. Основным требованием, которое
предъявляет технология СВЧ транзисторов к системам литографии, является
возможность воспроизводимого и хорошо контролируемого получения
малых размеров элементов (0,1-0,5 мкм) при приемлемом качестве
межслоевого совмещения и совместимости с другими технологическими
процессами. Благодаря высокой производительности фотолитографические
технологии являются наиболее распространенными в производственных и
исследовательских центрах. При этом более экономичные системы
контактной ультрафиолетовой фотолитографии (источник
ультрафиолетовая ртутная лампа, спектр излучения которой имеет ряд интенсивных линий в диапазоне 240-260 нм) используются повсеместно для получения элементов с размерами на уровне 0,8 — 1,2мкм. Благодаря доступной цене и высокой производительности, они прочно заняли те ниши в технологии, где получение субмикронных размеров не требуется. В нашей
работе демонстрируется принципиальная и практическая возможность получения субмикронных размеров затворов СВЧ транзисторов методом контактной фотолитографии, что является нетипичным для данного метода. В отличие от ряда существующих методов формирования субмикронных затворов с использованием косвенных методов и с использованием методов уменьшения длины затвора с помощью дополнительных технологических операций, разработанный метод позволяет получать субмикронные размеры сразу в проявленном резисте и проводить формирование металлизации по технологии «взрыва».
Благодаря своей простоте и низкозатратности, контактная ультрафиолетовая фотолитография может потеснить электронно-лучевую и проекционную в области топологических размеров 0,1-0,5мкм.
По этим причинам особую актуальность приобретает исследование
путей решения проблемы изготовления субмикронных затворов
полупроводниковых приборов — гетероструктурных СВЧ транзисторов на основе арсенида и нитрида галлия усовершенствованным методом контактной ультрафиолетовой фотолитографии, а также приведение и анализ характеристик полученных по разработанной технологии гетероструктурных СВЧ транзисторов.
Целью работы является разработка усовершенствованного технологического процесса контактной ультрафиолетовой фотолитографии для изготовления затворов субмикронного размера GaAs и GaN гетероструктурных транзисторов, измерение и анализ параметров изготовленных транзисторов.
Для достижения поставленной цели определены и решены следующие задачи:
- проанализировать перспективы современных материалов и приборов СВЧ диапазона;
выбрать оптимальный метод литографии для формирования затворов СВЧ транзисторов;
выбрать материалы, пригодные к использованию в ультрафиолетовой контактной фотолитографии для получения субмикронных размеров затворов транзисторов;
провести анализ технологического процесса контактной фотолитографии с целью внесения в него изменений, направленных на получение затворов субмикронных размеров;
провести анализ имеющихся технологических приемов формирования затворов в рамках метода контактной фотолитографии с целью выбора оптимальных технологических условий и режимов для формирования субмикронных затворов СВЧ транзисторов;
- провести эксперименты по получению субмикронных затворов
гетероструктурных СВЧ транзисторов с помощью выбранных материалов;
- провести анализ факторов, влияющих на результаты технологических
операций по формированию затворов гетероструктурных транзисторов;
подобрать оптимальное сочетание оборудования и материалов, а также режимов их использования для получения требуемых результатов;
измерить параметры изготовленных транзисторов;
проанализировать полученные результаты.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан усовершенствованный технологический процесс изготовления затворов гетероструктурных транзисторов методом контактной ультрафиолетовой фотолитографии с субмикронными размерами 0,3-04мкм, по сравнению с достигнутым в нашей стране уровнем 0,8 - 1,2мкм.
разработаны и обоснованы критерии и требования к основным функциональным узлам и механизмам технологического оборудования с целью получения субмикронных размеров затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов.
предложено оптимальное сочетание резистивных материалов, проявителей и зависимостей времени проявления от времени экспонирования для процесса УФ фотолитографии с использованием двухслойной резитивной маски.
разработана методика измерений ширины линий и качества проявления участков резистивнои маски с целью контроля размеров изготавливаемых затворов транзисторов.
- в работе продемонстрирована возможность получения с помощью
метода контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете
гетероструктурных GaAs и GaN СВЧ транзисторов, обладающими
статическими и СВЧ характеристиками, не уступающими в частотном
диапазоне до 8-12 ГГц характеристикам таких же транзисторов,
изготовленных с помощью метода электронно-лучевой литографии.
Исследования по теме диссертации связаны с решением практических
задач, которые были поставлены российскими производителями»
современных СВЧ приборов. Предложенный технологический- процесс
является конкурентоспособным с электронно-лучевым методом для
Разработанный технологический процесс и специализированное технологическое оборудование нашли практическое применение в ряде компаний, в том числе:
Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН (г. Москва);
ЗАО «Научно - производственная фирма «Микран» (г. Томск).
Технико-экономическая эффективность усовершенствованного процесса изготовления субмикронных затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов методом контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете значительно превышает эффективность применяемых фотолитографических технологических процессов и оборудования.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международной научно-технической конференции «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надёжности» (Тунис — 2005);
Международном техническом симпозиуме SEML Expo CIS (г. Москва -2006);
-в России на семинарах и научных конференциях Московского государственного университета приборостроения и информатики, Института СВЧ-полупроводниковой электроники РАН, ОАО «Московский завод «Сапфир».
Основные научные результаты диссертации отражены в 10 публикациях, в том числе в 2 научных журналах и в 3 опубликованных тезисах и докладах Международных конференций.
К защите представляются:
-технологический процесс изготовления субмикронных затворов гетероструктурных СВЧ транзисторов методом контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете;
-экспериментальные данные, позволяющие оценить достоверность полученных результатов;
-сравнительные данные параметров приборов, изготовленных методом электронно-лучевой литографии и предложенным усовершенствованным методом контактной фотолитографии.
Конструкции различных приборов СВЧ диапазона
Полевые МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) транзисторы на основе кремния с собственным окислом - диэлектриком Si02 получили распространение для использования на частотах до 8ГГц, однако они не могут конкурировать с GaAs приборами на более высоких частотах, так как по электрофизическим параметрам (подвижность и скорость дрейфа электронов) Si уступает GaAs, InP и GaN. Полевые МДП транзисторы на GaAs не нашли применения ввиду отсутствия собственных устойчивых окислов, а использование иных диэлектрических пленок (например БіОг) в качестве таких диэлектриков оказалось неэффективно по ряду причин, прежде всего (в случае SiC ) из-за возникновения центров захвата электронов на границе с полупроводником с широким спектром времен захвата на них, что значительно ухудшает параметры транзистора на высоких частотах [1, 12, 13].
Единственные приборы типа МДП, продемонстрировавшие удовлетворительное качество характеристик - это транзисторы на гетероструктуре AlGaN/GaN которые показаны на рис. 1.6, однако их главное преимущество перед транзисторами с барьером Шоттки (ПТШ) - большая величина напряжения пробоя - компенсируется уменьшением крутизны транзистора. В настоящее время ведутся исследования по подбору для нитрида галлия подходящего подзатворного диэлектрика, однако пока что МДП транзисторы на GaN уступают по СВЧ характеристикам своим аналогам с затвором Шоттки [14-17].
Наиболее простым и сравнительно недорогим прибором является ГТТТТТ на однородно легированном GaAs - MeSFET (ПТШ). Этот прибор, конструкция которого продемонстрирована на рис. 1.7, до начала 90-х годов доминировал в частотных диапазонах от ЮГТц и выше, пока не начал вытесняться так называемыми НЕМТ-транзисторами, полученными на гетероструктуре AlGaAs/GaAs.
Активным каналом данного транзистора является объемно легированный слой GaAs. Затворный электрод лежит непосредственно на этом слое, иногда его заглубляют с целью уменьшения паразитных сопротивлений истока и стока. В данном случае скорость носителей определяется материалом полупроводника (GaAs), концентрация носителей в канале определяется толщиной канала и уровнем объемного легирования. Напряжения пробоя уменьшаются с ростом уровня легирования, управляемость (крутизна вольтамперной характеристики) падает с увеличением толщины канала. Модификацией данной структуры является ПТШ с 5-легированным каналом, с узким, «двумерным» слоем легирующей примеси. Подвижность носителей в канале такой структуры не высока, так как электроны проводимости рассеиваются на ионизированных атомах примеси, расположенных прямо в канале. Такие структуры используются также для изготовления монолитных интегральных схем на частотный диапазон до 20ГТц, но их параметры сопоставимы с параметрами гетероструктурных транзисторов только до ЮГГц. На более высоких частотах они заметно уступают гетероструктурным транзисторам [1-13].
В отличие от ПТШ с объемным легированием, в НЕМТ транзисторе имеется разделение в пространстве ионов примеси и электронов. Конструкция НЕМТ транзистора (иногда их называют модулировано легированные полевые транзисторы - MODFET - Modulated Doped Field Effect Transistors ) продемонстрирована на рис. 1.8. Данные приборы заметно превосходят GaAs ПТШ по усилительным и шумовым характеристикам уже на частотах 8-ЮГГц. С ростом частоты преимущество НЕМТ увеличивается и на частотах порядка 30 ГГц использование ПТШ - MeSFET становится просто нецелесообразным. В НЕМТ гетероструктуре донорные примеси находятся в широкозонном слое AlGaAs, а отдаваемые ими электроны проводимости аккумулируются за границей гетероперехода в узкозонном слое GaAs, формируя так называемый «двумерный электронный газ», толщина которого определяется размером волновой функции электронов проводимости. В результате этих явлений не происходит рассеяния носителей тока на ионизированных атомах примеси, и подвижность электронов проводимости определяется исключительно фононным рассеянием при комнатной температуре и составляет величину примерно в четыре раза большую, чем в структурах ПТШ - MeSFET. Максимальная концентрация двумерных электронов не превышает для указанного типа структур величин 1- -1.5 10 см" . Такие структуры имеют более высокие частотные свойства и обладают меньшим шумом по сравнению с ПТШ
Сравнительный анализ существующих литографических систем и их применимости для изготовления затворов транзисторов
Последовательность операций для разных гетероструктур похожа, однако условия и режимы проведения операций отличаются, т.к. химические и физические свойства гетероструктурных материалов сильно отличаются. Поэтому для разных материалов наиболее трудными и критическими оказываются разные операции. Так, для GaN из-за широкой запрещенной зоны формирование омических контактов истока и стока — сложная задача, требующая специального оборудования для быстрого высокотемпературного отжига. В то же время для транзисторов на GaN не требуется формирование контактного сильно легированного под контактом стока и истока, и его не нужно потом стравливать под затворным металлом. Для GaAs и InP транзисторов операция заглубления затвора - весьма трудоемкая, технически сложная и во многом определяющая характеристики прибора. Использование плазменного реактивного ионного травления или жидкостного травления обусловлено свойствами того или иного материала, а также требованиями к транзисторам изготавливаемого типа. Пассивация поверхности диэлектрическими пленками - также очень важный и необходимый процесс для всех без исключения гетероструктурных транзисторов.
Общими же для всех технологических процессов на А3В5 гетероструктурах являются требования к длине и сопротивлению затвора. Они обусловлены требованиями к усилительным свойствам на высоких частотах. Чем меньше длина затвора, тем более высокочастотный прибор получается (при сохранении постоянным сопротивления затвора). Это условие осуществимо, если сделать затвор более сложной формы - с узким низом и широким верхом — грибообразным. Большая шляпка обеспечивает низкое сопротивление затвора, чтобы сигнал не ослабевал на всей ширине затвора. Для получения затворов, удовлетворяющих таким требованиям, требуется самая современная и дорогостоящая технология литографии. Для СВЧ транзисторов, как правило, используют технологию грибообразного затвора. При этом получается низкое сопротивление затвора (за счет шляпы) и маленькая длина (за счет ножки). Такая конфигурация позволяет минимизировать шум СВЧ транзистора. На рисунке 2.1, показана общая схема изготовления транзисторов на А3В5 гетеростру ктурах [1,8,11-13].
Метод электронно-лучевой литографии является широко распространенным методом для получения элементов контактной группы транзисторов малых размеров [1,8,11-13,71-76].
Электронно-лучевая литография уже сейчас позволяет формировать сфокусированным пучком электронов изображения на полупроводниковых пластинах размером менее 10 нм [77-81]. Существуют две основные возможности использования электронных пучков для облучения поверхности пластины с целью нанесения рисунка. Это одновременное экспонирование всего изображения целиком (проекционная электронная литография, рассмотрена в п.2.2.2) и последовательное экспонирование отдельных участков рисунка (сканирующая литография). В традиционной фотолитографии резисты экспонируются незаряженными фотонами ультрафиолетового диапазона. Из теории дифракции и практической микроскопии известно, что разрешение ограниченно длинной волны используемого излучения. При использовании электронного луча это ограничение можно обойти, поскольку для ускоряющего напряжения 50кВ эквивалентная длина волны будет 0,0055нм, что более чем в 50 раз меньше чем фотолитографии [82], поэтому факторы, ограничивающими размер элемента, будут связаны уже с размером луча и материалом резиста.
С помощью метода электронно-лучевой литографии изготавливаются наиболее качественные шаблоны для выбранного нами метода контактной фотолитографии.
Для совмещения используется режим сканирования. В этом режиме электронный луч фокусируется образце и сканирует по нему. Рассеянные от образца электроны собираются детектором положения, в результате чего вырабатывается сигнал корректировки на отклоняющие катушки, расположенные между двумя проекционными линзами. Такая система позволяет проводить совмещение несколько раз на разных участках одной пластины, что уменьшает ошибку совмещения и является одним из наиболее серьезных преимуществ электронно-лучевой литографии по отношению к контактной.
Методы профилирования луча в системах с экспозицией электронами очень разнообразны. Основой сложных профилей является луч круглого сечения с гауссовым распределением плотности тока, обеспечивающий экспонирование одной точки изображения за некоторое время. Размер такого пучка, соответствующий полуширине гауссова распределения, определяет пространственное разрешение и обычно в 4-5 раз меньше минимального размера рисунка. Для систем с профилированными пучками пространственное разрешение зависит от спада интенсивности на краю результирующего профиля, поэтому большое количество точек изображения экспонируется одновременно без потери разрешения. После фокусировки и профилирования пучок должен отклоняться по пластине с помощью электромагнитной системы.
В качестве резистов для формирования заданного рисунка используются слои органических полимерных электронных резистов. Проявленный рисунок в электронном резисте как правило, является маской для операций напыления или травления материала. Для переноса изображения элементов с нанометровыми размерами, сформированных в пленке электронного резиста, в материал подложки, используют напыление или различные методы травления, главным образом плазменные.
Наилучшее разрешение имеют позитивные резисты, полученные на основе полиметилметакрилата — ПММА, а также ZEP резисты. Для позитивных резистов экспонирование электронным пучком вызывает уменьшение его молекулярного веса при разрыве связей между молекулами, увеличивая их растворимость. Технологии обработки резистов для электронно-лучевой литографии являются хорошо исследованными [1,8,11 13,83-89]. Тот факт, что ПММА обладает чувствительностью в диапазоне длин волн 24(К260нм, позволяет использовать эти наработки в контактной фотолитографии, и в частности, в нашей работе,
Технологические параметры электронно-лучевого экспонирования, такие, как энергия экспонирования, толщина резиста, температура сушки и тип проявителя, могут влиять на разрешающую способность и чувствительность позитивного резиста. В зависимости от дозы профиль стенок формируемого изображения может быть пологим или крутым. При больших дозах форма профиля изображения определяется пространственным распределением поглощенной дозы, тогда как при малых дозах формируется более пологий профиль, что обусловлено степенью активности проявителя в экспонированных и неэкспонированных областях.
Анализ материалов, используемых в технологическом процессе контактной фотолитографии в глубоком ультрафиолете с использованием двухслойной системы резистов
В типичных случаях использования двухслойной маски верхний и нижний слои резистов выбираются так, что существует большая разница в скоростях проявления, приводящая к желаемому профилю боковых стенок, обеспечивающему «взрыв» после напыления металла. Выбор резистов таким образом сводится к подбору пары: верхний и нижний резист. Размер затвора определяется размером, получаемым в верхнем слое резиста. Верхний резист должен позволить как можно точнее передать размер в шаблоне, нижний резист должен обеспечить проведение «взрывной» металлизации.
Литературных данных по использованию контактной фотолитографии для изготовления субмикронных затворов длиной менее 0,5 мкм немного [123,125,126]. Сравнение экспонирования различных резистов, чувствительных к диапазону длин волн 0,24 - 0,26 мкм, проведенное в работе [127], показывало, что наиболее подходящими фоторезистивными материалами для контактной фотолитографии в этом диапазоне являются резисты для электронной литографии на основе полиметилметакрилата -ПММА (рис.3.11). Метакрилаты под действием излучения в дальней области ультрафиолетового спектра (в диапазоне 240- -260нм) претерпевают разрыв главной цепи молекул, связанный отделением боковых групп, тоже самое происходит при электронно-лучевом экспонировании.
У ПММА при экспонировании уменьшается средняя молекулярная масса резиста (при условии, что энергия кванта достаточна для разрушения молекулы резиста). При проявлении таких резистов мы имеем дело с растворимостью резиста в проявителе. Скорость растворения зависит от молекулярной массы. В двойных логарифмических координатах скорость растворения от молекулярной массы резиста линейна. Таким образом, время проявления может быть практически любым - от нескольких секунд до десятков минут. Ограничение связано с растворимостью исходного резиста с данной молекулярной массой. Однако зависимости молекулярного веса ПММА резиста после облучения хорошо известны только при облучении его электронными пучками.
Имеется ряд исследований [44,122,124,127-131], в которых показана принципиальная возможность получения субмикронных размеров менее 0,2 мкм в ПММА с помощью контактной литографии в глубоком ультрафиолете в диапазоне 240-К260нм и 220нм. В частности, в работе [128] с помощью гибкого шаблона с заглубленным заподлицо с поверхностью хромовым слоем и многослойной маски, включающей антиотражающее покрытие, продемонстрирована возможность получения линий размером менее 0,1 мкм. Поэтому в качестве основных вариантов резиста для верхнего слоя маски рассматривались электронные резисты на основе полиметилметакрилата -ПММА и сополимера полиметилметакрилата и метакриловой кислоты -Р(ММА/МАА), которые являются на сегодняшний день наиболее распространенными материалами для получения субмикронных размеров топологических рисунков. ПММА обладает меньшей чувствительностью, чем сополимер, поэтому их комбинацию применяют для многослойных систем резистов, позволяющих реализовать сложный профиль через резистивную маску сложного профиля. Резисты РММА выпускаются с различным значением молекулярного веса (50, 100, 200, 495, 950 тысяч и 2,2 млн.). Чем больше молекулярный вес ПММА тем выше его разрешающая способность[132]. При этом при увеличении молекулярного веса увеличивается время растворения резиста. Сополимеры часто используются в случае применения многослойной маски и имеют более высокую чувствительность и скорость растворения в проявителях, чем ПММА. Чувствительность резиста и скорость растворения в проявителе увеличивается со снижением молекулярного веса.
Проведенные эксперименты показали, что для экспонирования в глубоком ультрафиолете с имеющейся на выбранном для экспонирования оборудовании (MJB4) интенсивностью засветки, приемлемые времена экспонирования (не более 15-20 мин.) имеют все перечисленные резисты. Поэтому можно выбрать для экспериментов резисты с высоким разрешением: ПММА с молекулярным весом 950000 и 495000, а также сополимер 8.5% Р(ММА/МАА).
В качестве проявителя для верхнего слоя могут рассматриваться проявители на основе метилизобутил кетона и изопропанола, проявитель LIGA и проявители на основе смеси воды и изопропанола [74,131]. На рис. 3.12 приведены зависимости скорости проявления от молекулярного веса и нормированной толщины резиста от дозы экспонирования для ряда проявителей.
Учитывая, что значение контрастности - 4,2 для смеси МИБК:ИПС не на много ниже контрастности токсичного проявителя LIGA, смесь МИБК:ИПС в пропорции Г.З была выбрана в качестве контрастного проявителя для дальнейших экспериментов. В качестве слабоконтрастного проявителя использовалась смесь МИБК:ИПС в пропорции 1:1.
Погружение в ультразвуковую ванну при проявлении для времени проявления не более минуты позволяет получить однородное по площади пластины, более, быстрое и качественное проявление [131]. Наши эксперименты подтвердили этот эффект, и во всех экспериментах по изготовлению субмикронных затворов проявление проводилось в ультразвуковой ванне.
Проявление нижнего слоя резиста не должно сказываться на размерах, полученных в верхнем слое, т.е. желательно иметь селективный проявитель для нижнего слоя резиста. Кроме того, поскольку верхний резист весьма тонкий, необходим строгий контроль проявления нижнего резиста вбок, чтобы тонкий край верхнего резиста не прогнулся под тяжестью металла при напылении.
Возможны два пути выполнения этих требований - использование третьего слоя между резистами (это может быть диэлектрик - Si02 или Si3N4, металл или полупроводник). Этот метод заметно удлиняет процесс изготовления затвора и здесь не рассматривается.
Второй путь - использование резистов облегчающих взрыв (Lift - off resist - далее ЛОР). Это резисты основаны на полидеметилглютаримиде (PMGA) и используются в процессе взрывной литографии; они не смешиваются с другими резистами, участвующими в процессе литографии и не являются токсичными материалами. ЛОР резисты слабо реагируют на свет и засвечиваются либо электронным лучом, либо в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Молекулярный вес резиста на основе полидеметилглютаримида составляет 50.000 или даже больше. Чем больше молекулярный вес, тем труднее экспонируется резист в виду чего, полидеметилглютаримид экспонируется только при помощи электроннолучевого излучения либо ультрафиолетового. Существует ряд проявителей, которые проявляют резисты облегчающие взрыв вне зависимости от их засветки. PMGA резисты являются " наиболее температурно-стабильными резистами и применяются для получения профиля с минимальным размером до 0,25 мкм и ниже. В литографическом процессе толщину ЛОР резиста выбирают большей, чем толщину верхнего засвечиваемого резистивного слоя, в целях более аккуратного результата, получаемого после взрыва.
Использование в качестве нижнего слоя резиста PMGI, а в качестве верхнего слоя ПММА или его сополимера, впервые предложено для электронной литографии в работе [57] и стало использоваться для формирования затворов с помощью электронно-лучевой литографии [82]. PMGI не меняет свои свойства в спектре излучения обычной ртутной лампы, и легко растворяется в типичных проявителях для обычных фоторезистов (например, основе КОН или ТМАН-гидроксида тетраэтиламмония). Данные, полученные по растворению незасвеченного PMGI, засушенного при 180 градусах в течение 3 минут, показывают, что незасвеченный PMGI практически нерастворим в проявителе на основе ТЕАН - гидроксида тетраэтиламмония: скорость растворения в проявителе MF-319 - 0,22 мкм/мин; в MF-322 - 0,39 мкм/мин; в ТЕАН- 0 ,014 мкм/мин.
Однако про облучении в диапазоне 0,24-0,26 мкм свойства PMGI меняются, и он может быть легко проявлен как в проявителях для РММА на основе МИБК:ИПА (метилизобутилкетон : изопропанол), так и в проявителе на основе ТЕАН. Замечательной особенностью ТЕАН является то, что в нем не проявляются ни ПММА ни сополимер. Таким образом, возможно, осуществить селективное проявление верхнего и нижнего слоев фоторезистивной маски.
Исследование зависимостей минимального размера элемента от дозы экспонирования
Для выбранной пары резист - проявитель были проведены эксперименты по определению зависимостей минимального размера элемента от дозы экспонирования.
Для исследований использовался высококачественный кварцевый шаблон с хромовым покрытием и верхним антиотражающим слоем. В используемом шаблоне были изготовлены щели с набором из 9 линий от 0,6 мкм до 0,25 мкм. Шаблон позволяет получить данные по каждой из получившейся в результате процессов экспонирования и проявления ширине линии и сопоставить их с размером щели в шаблоне. На рис. 4.4 показаны сделанные на сканирующем электронном микроскопе фотографии резистивнои маски РММА с молекулярным весом 950000, проявленные в МИБК:ИПС=1:3 и соответствующие размерам линий от 0,25 мкм до 0,3 мкм. На фотографии видно при том что дозы экспонирования в глубоком ультрафиолете для 0,25 мкм щели вполне достаточно, для 0,3 мкм щели доза очень большая (размер стал 0,56мкм). Это указывает на еще одну имеющуюся проблему: доза, получаемая резистом в местах расположения больших контактных площадок затвора при экспонировании шаблоном с субмикронными затворами, будет значительно превышать достаточную для проявления. Следовательно, резист там будет проявляться значительно быстрее, чем затвор, и будет наблюдаться перепроявление резистивнои двухслойной маски. Это может привести к ухудшению качества «взрыва» металла площадок затвора.
Неровный край щели в резисте и длительное - более 20 минут время экспонирования свидетельствуют о том, что необходимо дальнейшее совершенствование данной технологии.
В технологический маршрут был внесен ряд изменений. Резист РММА 950К наносимый на скорости 6000 1/мин был заменен на РММА 495000 разбавленный растворителем до вязкости, обеспечивающей толщину 0,08-Ю,10 мкм при нанесении на скорости 3000 1/мин. В результате изменений на тонком резисте исчез эффект неровного края резиста, а время экспонирования было уменьшено до 7 мин. Указанные изменения позволили получить размер напыленной через двухслойную резистивную маску металлизации от 0,25-Ю,26мкм, что показано на рис.4.5 и подтверждает принципиальную возможность получения размеров менее 0,3 мкм контактной фотолитографией с помощью имеющегося оборудования и материалов. По результатам данных экспериментов был сделан вывод о принципиальной возможности получить СВЧ транзисторов с субмикронными затворами 0,3+0,4 мкм длины, для чего был изготовлен комплект шаблонов с размером затворной щели 0,3 мкм.
Для этого шаблона была исследована зависимость минимального размера элемента от дозы экспонирования. Экспонировалась двухслойная система резистов ПММА 950K/PMGI SF9, нанесенная на подложку арсенида галлия. Поскольку известно, что на подложке с нанесенными контактными площадками истока и стока получить минимальный размер элемента наиболее сложно из-за имеющейся неоднородности толщин резистов, для подтверждения правильности выбранной схемы была выбрана именно такая подложка. Экспонирование проводилось через щель размером 0,3мкм. Проявление проводилось в МИБК:ИПС=1:3 в течение 10 секунд. На рис. 4.6, показана полученная экспериментальная зависимость размера щели в резисте от дозы экспонирования. Из графика видно, что имеется достаточно широкое - 3 мин. технологическое окно, в котором размер щели в резисте не меняется. Это позволяет получать одинаковую длину затвора по пластине, несмотря на неоднородности засветки и вариации толщины резиста.
Для получения формы затвора типа «столбик» методом «взрывной» металлизации требуется создание «обратного» профиля в резисте в сочетании с субмикронным размером верхнего слоя резиста. Проявление нижнего слоя резиста не должно сказываться на размерах, полученных в верхнем слое, для чего необходимо иметь селективный проявитель, по крайней мере, для нижнего слоя резиста. Кроме того, поскольку верхний резист весьма тонкий, необходим строгий контроль проявления нижнего резиста вбок, чтобы тонкий край верхнего резиста не прогнулся под тяжестью металла при напылении. В ходе исследований подтвердилось преимущества пар верхний - нижний резист, позволяющих проводить селективное проявление нижнего слоя над парами, в которых оба слоя проявляются в одном проявителе. Селективный проявитель на основе гидроксида тетраэтиламмония - ТЕ АН 101 изготовленный фирмой «Developer MicroChem», позволяет проявлять только слой PMGI, проэкспонированный ультрафиолетовым излучением. Незасвеченный резист PMGI практически нерастворим в проявителе на основе ТЕАН [82,11,112]. При облучении в диапазоне 240-260 нм свойства PMGI меняются, и он может быть легко проявлен как в проявителях для ПММА на основе метилизобутилкетона в сочетании с изопропанолом -МИБК:ИПА, так и в проявителе на основе ТЕАН. Замечательной особенностью ТЕАН является то, что в нем не проявляются ни резист ПММА ни его сополимер. Таким образом, возможно, осуществить селективное проявление верхнего и нижнего слоев фоторезистивной маски. Эта возможность есть только для пары резистов ПММА/PMGI и для P(MMA/MAA)/PMGI. Дальнейшее исследование показало, что большая скорость проявления сополимера и его низкая контрастность пары проявителей в сочетании с высокой скоростью растворения PMGI в них создают трудности при получении необходимого профиля маски. В то же время, используя тонкий ПММА в качестве верхнего слоя, можно проявить рисунок в нем за время порядка 10-15 сек, при этом лежащий ниже слой PMGI остается почти не проявленным. Дальнейшее проявление слоя PMGI можно провести в селективном проявителе, не затрагивающем слой ПММА.
