6.2
Совмещение
Многослойный характер процессов литографии при создании микро- электронных устройств приводит к необходимости совмещения слоев между собой. В противном случае интегральная схема не будет функционировать. В общем случае точность совмещения должна быть не хуже ½-¼ минимального размера элемента, что соответствует величине менее 10 нм для современных интегральных схем.
Принципы совмещение слоев в контактной и проекционной фотолито- графии, вообще говоря, различаются. В контактно литографии совмещение обычно выполняется как минимум по двум меткам совмещения, которые располагаются на диаметрально противоположных краях пластины и соот- ветствующих им местам на фотошаблоне. Это позволяет скорректировать относительное положение и поворот пластины и фотошаблона друг относи- тельно друга (рис. 15). Метки визуализируются в оптический микроскоп, за- крепленный над фотошаблоном. Для упрощения совмещения применяется микроскоп двойного поля, в котором изображение составлено из двух частей
– одно с одной стороны пластины, другое – с другой (рис. 15). Совмещение происходит за счет перемещения пластины относительно фотошаблона.
51
Рисунок 15. Пример меток совмещения для контактной литографии (сверху – до совмеще- ния, снизу – после).
Метки совмещения проектируются на каждом слое так, чтобы при наложении фотошаблона можно было легко визуально определить отклоне- ния и их скорректировать. Несмотря на достаточно большой размер меток
(10-100 мкм) человеческий глаз легко определяет отклонения от симметрии рисунка, что позволяет при правильном проектировании меток совмещения обеспечить точность ручного совмещения лучше 1 мкм.
Естественно, для промышленного применения используются системы с автоматическим совмещением. В этом случае метки проектируются так, что- бы можно было обеспечить анализ необходимых перемещений программно.
Одной из возможностей увеличения точности совмещения и автоматизации является совмещение по муару. Для этого метки совмещения делают в виде аналогичных периодических рисунков и по муару, образующемуся при наложении рисунков, судят об отклонениях меток совмещения.
В проекционной литографии
используется как совмещение пластины целиком, так и совмещение каждого поля зрения в отдельности. Для кон- троля искажений, в частности, нелинейных, меток совмещения делается больше, чем в контактной литографии, а совмещение производиться по усредненной статистической информации. Естественно, что весь процесс совмещения, как и процесс собственно литографии происходит автоматиче- ски. Кроме того, при совмещении каждого поля зрения также происходит ав-
52 томатическая фокусировка, так как глубина фокуса систем с высоким значе- нием числовой апертуры очень невелика.
6.3
Пространственное разрешение проекционной литографии
Рассмотрим вопрос о пространственном разрешении проекционной ли- тографии. Критерием разрешимости двух близкорасположенных точечных объектов является величина минимума интенсивности излучения в области между ними (рис. 16, а). Согласно элементам дифракционной теории форми- рования изображений для идеальной, дифракционно ограниченной оптиче- ской системы, критический размер (предельное разрешение) CD будет опре- деляться как:
1
CD
k
NA
,
(3) где sin( )
NA
n
- числовая апертура, θ – угол под которым видно апертуру объектива из точки фокуса (рис. 16, б), λ – длина волны излучения, k
1
– ко- эффициент.
Величина коэффициента k
1
для идеального случая составляет 0,25. В реальных системах его значение может меняться в достаточно широких пре- делах. Из выражения (3) видно, что улучшению пространственного разреше- ния может способствовать уменьшение длины волны, увеличение числовой апертуры и уменьшение коэффициента k
1
Изменение основных параметров проекционной системы также влечет за собой изменение глубины фокуса DOF:
2 2
(
)
DOF
k
NA
,
(4) где параметр k
2
также зависит от свойств оптической системы.
53
(а)
(б)
Рисунок 16. А)
интенсивность излучения, формирующаяся на пластине от двух соседних элементов. б) схема, поясняющая понятие числовой апертуры.
Кроме естественной диффракции света к основным факторам, ограни- чивающим разрешение проекционной фотолитографии можно отнести иска- жения в проекционной системе (астигматизм, кома, искажения, хроматиче- ские и сферические аберрации), контраст резиста, соотношение глубины фо- куса и толщины резиста, эффекты близости, стоячие волны в пленке резиста.
Рассмотрим возможности улучшения разрешения проекционной фото- литографии:
1) Изменение основных параметров оптической системы: а) уменьшение длины волны λ; б) увеличение числовой апертуры
NA; 2) технические приемы – изменение параметров
k1
и
k2
: а) коррекция эффекта близости; б) применение фотошаблонов со сдвигом фазы; в) внеосевое прохождение света; г) разработка топологии микросхемы, оптимизированной для фотолитографии;
3) многократное экспонирование/проявка;
4) применение многослойных резистов.
Рассмотрим эти возможности более подробно.
6.3.1 Изменение основных параметров оптической системы Изменение длины волны излучения является самым очевидным путем улучшения разрешения. В настоящее время в качестве источников применя- ются эксимерные лазеры с длинами волн 248 нм и 193 нм. В то время, когда
54 был преодолен порог разрешения в 100 нм уже применялся ArF лазер с дли- ной волны 193 нм. Возможность использования лазера с длиной волны 157 нм пока остается нереализованной из-за значительного поглощения в воздухе и необходимости применения новых материалов для линз и фотошаблонов, которые еще не выпускаются промышленностью. При этом выигрыш в пре- дельном разрешении оказывается небольшим. Таким образом, среди ставших уже традиционными источников возможности уменьшения длины волны ис- черпаны.
Следующим шагом будет переход к излучению в области экстремаль- ного УФ (10-100 нм), о чем речь пойдет в главе 11.
Второй возможность является увеличение численной апертуры. При использовании воздуха с показателем преломления равным единице в каче- стве среды между объективом и пластиной (обычная ситуация), то значение числовой апертуры ограничено сверху значением единицей, причем это зна- чение недостижимо. Уже достигнуты значения NA > 0,8 и дальнейший рост практически не даст существенного улучшения разрешения.
Работы по внед- рению иммерсионной фотолитографии, когда между объективом помещается жидкость с n > 1 стартовали в начале 2000-х годов и уже в 2007-2008 иммер- сионная литография стала применяться промышленно при изготовлении ин- тегральных схем по 65 и 45 нм технологическим нормам. Некоторые произ- водители (например компания Intel) перешли на иммерсионную литографию только с недавним внедрением 32-нм технологических норм. Аналогичная технология давно известно и широко применяется в оптической микроско- пии.
Рисунок 17. Схема иммерсионной литографии
55
В качестве жидкости используют чистую деионизованную воду с n =
1,4, что дает существенное улучшение разрешения. Использование воды поз- воляет минимизировать возможные загрязнения поверхности пластины и объектива. В настоящее время также ведутся работы по внедрению жидко- стей с большим показателем преломления 1,7, но для этого также необхо- димо будет использовать другой материал линз, с более высоким значением показателя преломления. Иммерсионная литография с длиной волны 193 нм уже используется для производства по 22-нм технологическим нормам.
6.3.2
Технические приемы улучшения разрешения
Эффект близости, являющийся одним из факторов ухудшения разре- шения, заключается в конструктивной интерференции излучения, прошедше- го сквозь близкорасположенные окна в фоторезисте. Коррекция эффекта бли- зости (optical proximity correction) заключается в том, что изображение на фо- тошаблоне корректируется для получения на пластине элементов рисунка с нужной формой и размерами после проведения фотолитографии. В частно- сти, близкорасположенные элементы делаются меньшего размера и наобо- рот, отдельно расположенные элементы увеличивают в размерах и их форма корректируется для более точного воспроизведения рисунка (рис. 18). При коррекции эффекта близости в топологию фотошаблона могут включаться мелкие дополнительны элементы, которые не будут проявлены в результи- рующем изображении.
Коррекция эффекта близости требует больших вычислительных затрат для расчета требуемой топологии фотошаблона. Большая часть коррекций проверяется с помощью компьютерного моделирования.
Близким способом является разработка схемы устройства базируясь на возможностях фотолитографии. То есть схема преднамеренно, может быть в ущерб функциональности или простоте, оптимизируется под методику ее из- готовление. В частности, если сделать рисунок на наиболее критичных слоях периодическим, то его изготовление будет проще.
56
Рисунок 18. Пример применения коррекции эффекта близости
Рисунок 19. Фотошаблоны со сдвигом фаз.
Другим способом борьбы с эффектом близости является применение фотошаблонов со сдвигом фаз. На фотошаблон
добавляются дополнительные участки покрытия, которое приводит к относительному сдвигу фаз на 180° излучения, прошедшего через соседние окна в фоторезисте. Интерференция излучения в пленке резиста в области между элементами приводит к тому, что колебания электрического поля одной волны в основном компенсируется колебаниями поля другой волны, давая более глубокий минимум (рис. 19).
Таким образом, конструктивная интерференция преобразуется в деструктив- ную. В данном способе есть определенные проблемы с двумерными рисун- ками – не всегда возможно сделать так, чтобы излучение от всех пар сосед- них элементов имело сдвиг фаз относительно друг друга на 180°. Частично эту проблему можно решить, выделяя в один слой элементы вытянутые вдоль одной из осей. Кроме того, значительно усложняется технология изго- товления фотошаблона.
Для формирования изображения пространственно-периодических ри- сунков применяется внеосевое освещение. Как показано на рис. 20, а из-за ограничения апертуры проекционной системы не все дифракционные макси-
57 мумы участвуют в формировании результирующего изображения. Нулевой максимум отвечает за общую интенсивность, а первые – за основной период структуры. Если выделить излучение только от двух первых максимумов, то результирующее распределение интенсивности будет представлять собой си- нус с правильным периодом, а применение высококонтрастного резиста поз- волит получить рисунок, близкий к исходному. Для достижения такого эф- фекта в оптическую систему добавляются апертуры рис. 20, б, в, г) и освеще- ние называется, соответственно, дипольным, квадрупольным или кольцевым.
Выбор апертуры осуществляется исходя из особенностей рисунка данного слоя. Данный метод также получил широкое распространение.
Применение объективов с высокими значениями численной апертуры, а значит и угла, под которым свет падает на поверхность приводит к необхо- димости учитывать поляризацию света. Колебания электрического поля из- лучения, поляризованного перпендикулярно плоскости падения, попадающе- го на пластину под разными углами при интерференции полностью склады- ваются и интенсивность удваивается. В то же время, свет, поляризованный параллельно плоскости падения имеет разные вектора поляризации, а следо- вательно при
сложении часть интенсивности теряется, уменьшая глубину модуляции и ухудшая разрешение. Современные установки включают в себя управление поляризацией света для оптимизации разрешения.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 20. Внеосевое освещение. а) схема, поясняющая формирование изображения от периодического рисунка; б) апертура для дипольного освещения; в) апертура для квадру- польного освещения; г) апертура для кольцевого освещения. Излучение проходит только в светлые части апертуры.
58
6.3.3 Многократное экспонирование и проявка Возможности методов улучшения разрешения не безграничны, хотя за последние 40 лет они преодолели большое количество препятствий. Для со- здания интегральных схем со все меньшими и меньшими размерами элемен- тов есть еще один подход, который в настоящее время активно применяется.
Многократное экспонирование и проявка (в англоязычной литературе double patterning или DP – более точно отражает суть процесса) применяется для со- здания слоев, критичных по разрешению. Суть метода состоит в том, что требуемые структуры разбиваются на подструктуры и создаются в два или более этапов. При этом на каждом из этапов создаваемая структура наклады- вает менее жесткие требования на пространственное разрешение, что упро- щает процесс. Разработано несколько вариантов методик двойного экспони- рования и проявки.
1. Процесс «Litho-etch-litho-etch» (LELE) заключается в том, что после выполнения литографии производится перенос рисунка, затем делается сле- дующая литография – экспонируются промежуточные элементы и снова де- лается перенос рисунка – в итоге на пластине оказывается структура с удво- енной пространственной частотой.
2. В процессе «Litho-freeze-litho-etсh» (LFLE) рисунок резиста, полу- ченный при первой литографии «замораживается» (обрабатывается специ- альным составом, который затем смывается, в результате чего резист стано- вится невосприимчив к экспонированию и проявке). Далее делается вторая литография и затем уже перенос рисунка.
3. Процесс «Self-aligned spacer double pattering» (SADP) заключается в том, что поверх рисунка в слое фоторезиста наносится материал, горизон- тальные участки которого потом удаляются травлением. После удаления ре- зиста на поверхности остаются боковые вертикальные части нанесенного ма- териала (spacers)
пространственная частота которых в два раза больше, чем рисунка резиста.
59
Технологии с многократным экспонированием завоевывают все боль- шую популярность и в настоящее время уже активно используются для со- здания интегральных схем по технологическим нормам 32 нм. Одним из не- достатков данных методов является увеличение количества операций для со- здания рисунка в одном слое, что негативно сказывается на стоимости про- цесса и на выходе годных чипов.
6.3.4
Состояние на 2012 год
На конец 2012 года с использованием фотолитографии активно произ- водятся чипы по технологическим нормам 32 нм (Intel Core i3, i5, впервые выпущенные в 2010 г). В середине 2012 года были выпущены первые про- цессоры по 22 нм технологическим нормам Intel IvyBridge Core i5 и i7. Эле- менты оперативной памяти по этой технологии начали выпускать еще в 2008-
2009 гг.
Для достижения таких впечатляющих результатов используются прак- тически все описанные выше методики улучшения разрешения. В частности, активно используется методика многократного экспонирования.
В качестве одного из вариантов дальнейшего развития рассматривается переход на литографию в области экстремального УФ, которая будет рас- смотрена в главе 11.
60
7
ПРОЯВЛЕНИЕ РЕЗИСТА
Проявление резиста (development) является следующим шагом после экспонирования. В процессе проявления в резисте формируется рельеф, со- ответствующий экспонированному рисунку. В позитивном резисте удаляют- ся экспонированные области, в негативном – наоборот. Важным требованием является значительная разница скоростей удаления экспонированных и не- экспонированных областей.
Как правило проявление резиста – жидкостный процесс. В данной гла- ве будут рассмотрены методы и механизмы проявки позитивных и негатив- ных резистов. Будут также рассмотрены вопросы формирования поперечного профиля резистной маски.
7.1
Механизмы проявки изображения
7.1.1
Проявка ДХН резистов
Проявка ДХН резистов происходит в щелочном растворе. Новолачная смола является гидрофобной и почти не взаимодействует с проявителем. До- бавление фотоактивного компонента (диазохинонового эфира) еще уменьша- ет растворимость неэкспонированного резиста. При воздействии излучения образуется инденовая кислота, которая взаимодействует со щелочью и при- водит к депротонизации полимерной цепи, способствуя улучшению ее сма- чиваемости. Скорость растворения увеличивается с увеличением концентра- ции фотоактивного компонента (зависимость Мейергофера) и в оптимальных условиях составляет несколько микрон в минуту.
При проявке ДХН резистов образуется три слоя: внешний слой – гель, состоящий из частично ионизированного новолака, второй слой – область проникновения проявителя и третий слой – неизменного фоторезиста. Ско- рость растворения определяется скоростью возникновения слоя проникнове- ния и последующего растворения геля в проявителе. При этом, в отличие от негативных резистов слой проникновения не глубокий и набухания всего ре-
61 зиста не происходит, что способствует высокой разрешающей способности таких резистов.
В качестве проявителя может использоваться:
1) слабый раствор щелочи КОН или NaOH – классический состав про- явителя, содержащего ионы металлов, что может быть нежелательно для микроэлектроники;
2) тетраметиламмония гидроксид N(CH
3
)
4
OH (TMAH) – новый состав, не содержащий ионов металлов, но имеющий несколько меньшую скорость проявления.
Два этих типа проявителей несовместимы между собой. При смешива- нии может происходить резкое падение скорости проявки.
Кроме основного
вещества и воды в коммерческих проявителях, реко- мендованных производителями резиста, добавляются также различны добав- ки, например поверхностно-активные вещества для лучшего смачивания по- верхности и ускорения проявки.
Увеличение разбавления проявителя водой ведет к уменьшению скоро- сти проявки, но также и к увеличению отношения скоростей проявки экспо- нированного и неэкспонированного резиста. Поэтому концентрация прояви- теля может подбираться исходя из потребности. После окончания проявки необходимо промыть пластину большим количеством воды для остановки процесса проявления и удаления продуктов реакции.
Зависимость от температуры проявителя неоднозначна – для некото- рых проявителей она может быть достаточно существенна (до 1,5-2 раз в диапазоне от 15 до 30 °С), для других практически отсутствовать.
Зависимость скорости проявки от дозы экспонирования имеет насыще- ние. Как правило, близкое к оптимальному значение соответствует дозе на 30
% выше, чем необходима для достижения максимальной скорости проявки.
Тем не менее, в зависимости от формы профиля резиста, который необходи- мо получить, доза экспонирования может меняться в некоторых пределах.
Скачать 2.13 Mb.