Фотолитография. И. С. Батурин
 Скачать 2.13 Mb.
|
|
10.3 Перенос изображения с помощью травления Травление является субтрактивным процессом переноса изображения и очень широко используется в микро- и нанолитографии. Для переноса изоб- ражения из слоя фоторезиста на пластину травитель не должен заметно воз- действовать на резист. Как правило, травление является химическим процес- сом, сопровождающимся разрушением связей в молекулах вещества с обра- зованием молекул продуктов реакций. Если продукты реакции являются рас- творимыми (для жидкостного травления) или летучими (для сухого), то такая реакция будет приводить к удалению материала. Травление характеризуется двумя важными параметрами – селективно- стью и изотропностью. Селективность травления подразумевает существен- ную разницу в скоростях травления разных веществе так, чтобы можно было, например, вытравить изображение в слое одного вещества на поверхности другого не затронув последнее. Изотропность травления подразумевает ра- венство скоростей травления по всем направлениям, в то время как анизо- тропность – наличие направлений, в которых скорость травления больше, чем в других. Классическими процессы травления проводятся в жидком травителе, однако сейчас все большую популярность приобретают методики сухого травления, которые обладают рядом преимуществ. 78 10.3.1 Жидкостное химическое травление В процессе жидкостного травления необходимо обеспечить транспор- тировку реагента к поверхности (диффузия, конвекция), поверхностную ре- акцию и удаление продуктов реакции. Характеристики реакций отличаются в зависимости от того, какой фактор ограничивает скорость травления. Если скорость ограничивается скоростью поверхностной реакции, то энергии ак- тивации составляет 30-90 кДж/моль и такие реакции нечувствительны к пе- ремешиванию травителя и механическим воздействиям. В случае, если огра- ничена скорость транспорта травителя, то энергия активации таких реакций составляет 4-25 кДж/моль и они ускоряются при перемешивании и встряхи- вании. Типичная скорость жидкостного травления составляет 100-1000 нм/мин в присутствии маски из фоторезиста, при этом скорость увеличивает- ся с увеличением температуры. В процессе травления могут происходить, например, реакции окисле- ния или восстановления. Часто при применении растворов нескольких реа- гентов один из них является окислителем, а другой способствует удалению вещества после взаимодействия с окислителем. Примеры составов для жид- костного травления ряда часто применяющихся материалов приведены в табл. 3. Таблица 3. Составы жидкостного травления. Вещество Травитель Алюминий 80 % (H 3 PO 4 ) + 5 % CH 3 COOH + 5 % (HNO 3 ) + 10 % H 2 O при 35-45 °C Хром (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 + HNO 3 + HCl Органические плени и фоторезист Смесь Каро: H 2 SO 4 + H 2 O 2 Кремний HNO 3 + HF Оксид кремния HF BOE (буферизованная HF): NH 4 F + HF 79 Для жидкостного травления применяются методы, аналогичные очист- ке пластины – погружение, распыление или центрифугирование. Характерной особенностью жидкостного травления является его изо- тропность, связанная с тем, что травящий состав не имеет какого-либо направленного воздействия. Тем не менее, в ряде монокристаллов можно ре- ализовать анизотропное травление, если скорость травления существенно за- висит от кристаллографического направления. В частности, широко приме- няется анизотропное травление монокристаллического кремния. Применение маски из фоторезиста для травления может быть ограни- чено его недостаточной термической стойкостью, отслоением за счет про- никновения травителя под слой резиста и недостаточной стойкости к травя- щему составу (в частности, на основе серной кислоты). Все это накладывает ограничения на глубину травления через окна в фоторезисте и частично определяет форму вытравленного рельефа. В том случае, если маска из фото- резиста не выдерживает травление, может быть применена промежуточная маска из более стойкого материала (металла, оксида кремния и т.п.), которая протравливается через окна в фоторезисте, и затем служит маской для после- дующего травления нижележащего материала. Продукты травления могут менять скорость реакции выступая катали- заторами или ингибиторами, затруднять доступ травителя к поверхности, по- этому часто жидкостное травление чувствительно к перемешиванию, кон- векции и теплопереносу. Кроме того, в процессе реакции может происходить выделение или поглощение тепла, изменение концентрации, загрязнение тра- вителя и, соответственно, изменение скорости травления. Все эти факторы затрудняет управление и контроль процесса. Важной проблемой является получение чистых реагентов и утилизация продуктов реакции и остатков травителя. 10.3.2 Сухое травление Сухое травление реализуется с помощью бомбардировки поверхности потоком ионов (по аналогии с методами распыления). При этом воздействие 80 может быть как физическое за счет кинетической энергии ускоренных ионов, так и химическое. Источником ионов может служить пламенный разряд либо ионная пушка. Классификация методик сухого травления по характеру воз- действия и методу получения ионов приведена в табл. 4. Следует отметить, что такая классификация не является однозначной и не всегда термины ис- пользуются в соответствии с их точным значением. Так, в качестве достаточ- но общего названия методов сухого травления как взаимозаменяемые приме- няют также термины плазмохимическое травление, реактивно-ионное трав- ление и т.п. Реализовано множество различных схем реализации сухого травления. Наиболее простыми и часто употребительными является устройство ректо- ров, приведенных на рис. 29. Установка для сухого травления с емкостно спаренной плазмой (рис. 29, а) представляет собой вакуумную камеру (реак- тор), в которой находится проводящий стол, играющий роль нижнего элек- трода, на который помещаются пластины. Атмосфера с заданным составом газа и давлением создается с помощью подачи газа через верхний заземлен- ный электрод и постоянной откачки системы вакуумным насосом. К нижне- му электроду подается ВЧ напряжение с частотой 13.5 МГц, которое приво- дит к ионизации газа и образованием облака плазмы. ВЧ напряжение приво- дит к колебаниям электронов, увеличивая вероятность вторичной ионизации и облегчая поддержание стабильного плазменного разряда при меньшей мощности и давлении газа. Типичные значения рабочего давления составля- ют 1-100 мТорр. В усовершенствованных установках с индуктивно связанной плазмой (рис. 29, б) для генерации плазмы используется индуктивная пере- дача энергии для ионизации газа, а приложение ВЧ напряжения к нижнему электроду позволяет управлять ускоряющим напряжением. Преимуществами такого типа установок является возможность независимо контролировать плотность плазмы и энергию ионов, более низкие рабочие давления и более высокая энергия ионов, что позволяет травить более широкий круг материа- лов. 81 (а) (б) Рисунок 29. Схемы реакторов для сухого травления: а) с емкостно спаренной плазмой; б) с индуктивно связанной плазмой Электроны в плазме двигаются с гораздо большими скоростями за счет меньшей массы, поэтому они легче покидают облако плазмы и нейтрализу- ются, попадая на стенки камеры, что приводит к появлению положительного потенциала облака плазмы по сравнению со стенками камеры. Нижний элек- трод соединен с источником питания только по переменному току, поэтому он также заряжается отрицательно по отношению к стенкам камеры и облаку плазмы (рис. 30). Данный эффект называется автосмещение и характеризует- ся величиной разности потенциалов –V DC . Автосмещение вызывает ускоре- ние положительно заряженных ионов из облака плазмы по направлению к нижнему электроду и бомбардировку пластины, которая на нем расположена. Величина автосмещения зависит от геометрических размеров камеры, мощ- ности источника питания, давления газа и других параметров. При примене- нии индуктивно-связанной плазмы этот параметром можно управлять неза- висимо от плотности плазмы. Рисунок 30. Распределение потенциала между электродами при формировании плазмы. 82 В случае, если атмосфера в камере содержит химически-активные (ре- активные) газы, то образующиеся ионы и радикалы также бомбардируют по- верхность и могут вступать в химическую реакцию с веществом пластины. Кроме того, ионы инертных газов бомбардируя поверхность приводят к уси- лению химических реакций с адсорбированными молекулами реактивных га- зов. Таким образом, добавление активных газов позволяет существенно ускорять травление, а также в широких пределах управлять его селективно- стью и анизотропией. В целом, для сухого травления более характерно ани- зотропное травление, так как ионы имеют наибольшую составляющую ско- рости перпендикулярно к поверхности. Контроль процесса травления может осуществляться с помощью ин- терференции или отражения лазерного излучения от поверхностей пленки (для прозрачных пленок на поверхности), оптической эмиссионной спектро- скопии или масс-спектроскопии ионов. Для систем сухого травления используют инертные газы, кислород, во- дород и соединения F, Cl, Br, H (фреоны). Кремний образует летучие соеди- нения SiF 4 , SiCl 4 , SiBr 4 и может травиться в составах F 2 , Cl 2 , Br 2 , SF 6 + O 2 , CF 4 + O 2 . Диоксид кремния SiO 2 – в SF 6 , CF 4 , CHF 3 . Алюминий и хром травятся только с применением коррозионных и опасных газов, содержащих хлор из- за существования пленки оксида на поверхности. Медь не травится, так как не образует летучих соединений. Тугоплавкие металлы (W, Mo, Ta, Ti) – лег- ко травятся газами на основе фтора. Фоторезист и другие органические плен- ки успешно травятся в плазме кислорода. К преимуществам сухого травления относятся возможность анизотроп- ного травления широкого спектра материалов, высокая плотность химиче- ски-активных частиц, экологичность, малый расход газов, возможность управления и контроля за процессом травления, технологичность. К недо- статкам – радиационное повреждение поверхности или повреждение бомбар- дировкой ионов, отложение частиц из нелетучих компонент (загрязнение), невозможность травления некоторых веществ. 83 Таблица 4. Процессы сухого травления. Источник ионов/ Характер процесса Поток ионов Плазма Физическое распы- ление Ионно-лучевое травле- ние Ионно-плазменное травле- ние Химическое взаимо- действие Реактивное ионно- лучевое травление Плазмохимическое травле- ние Смешанное Реактивное ионно- лучевое травление Реактивно-ионно- плазменное травление 10.3.3 Перенос изображений с помощью модификации поверх- ностного слоя Для модификации поверхностного слоя в микро-и нанолитографии применяется диффузия и ионная имплантация. Диффузия представляет собой проникновение атомов одного вещества в другое и эффективна при доста- точно высокой температуре. При использования диффузии для переноса изображения необходимо нанести пленку диффундирующего вещества на поверхность и перенести рисунок на нее, а затем при высокой температуре провести диффузию. Возможна также диффузия из газовой фазы при нали- чии термостойкой маски на поверхности. При ионной имплантации поверхность пластины бомбардируется по- током ионов легирующего вещества большой энергии (от 10 кэВ до 1 МэВ и более). Высокая энергия ионов приводит к тому, что они пронимают вглубь вещества оказывая незначительное воздействие на поверхностный слой (в отличие от режима распыления, который наблюдается при меньших энерги- ях). Глубина проникновения составляет от десятков нм до единиц микрон. В качестве маски для ионной имплантации может использоваться фоторезист. Кроме того, ионная имплантация проводится при комнатной температуре, что существенно расширяет возможность ее применения. Существенное различие ионной имплантации от диффузии заключает- ся в распределении легирующей примеси по глубине (рис. 31). Для диффузии 84 характерно экспоненциальное уменьшение концентрации с глубиной, а для ионной имплантации – максимум концентрации на определенной глубине, которая зависит от энергии ионов. (а) (б) Рисунок 31. Зависимость концентрации легирующей примеси от глубины: а) диффузия; б) ионная имплантация. 85 11 ОТ МИКРО- К НАНОЛИТОГРАФИИ 11.1 Потребность в разработке методов нанолитографии Как же упоминалось в главе 1 развитие микроэлектронной промыш- ленности сопровождается постоянным уменьшением размера отдельных эле- ментов в интегральных схемах, что требует непрерывного улучшения разре- шения существующих методов и разработку новых. Несмотря на многочисленные пессимистические прогнозы, до настоя- щего времени развитие проекционной литографии позволяет следовать за уменьшением размеров элементов (см. раздел 6.3.4). На конец 2012 года с использованием фотолитографии активно производятся чипы по технологи- ческим нормам 32 нм (Intel Core i3, i5, впервые выпущенные в 2010 г). В се- редине 2012 года были выпущены первые процессоры по 22-нм технологиче- ским нормам Intel IvyBridge Core i5 и i7. Элементы оперативной памяти по этой технологии начали выпускать в 2008-2009 гг. Тем не менее, непрерывно идут разработки методов литографии следующего поколения. Современ- ные установки и технологии фотолитографии с предельным разрешением малодоступны для исследовательских групп из-за своей чрезвычайно высо- кой стоимости. Тем не менее, число задач, требующих создание различных структур нанометровых размеров постоянно увеличивается. Поэтому к настоящему времени разработано значительное количество методов наноли- тографии, которые имеют разные области применения и различную степень готовности к промышленному применению. 11.2 Литография в области экстремального ультрафиолета (EUV). Проекционная литография с использованием излучения в области экс- тремального УФ (EUV) является логичным развитием классической фотоли- тографии. За счет более, чем десятикратного уменьшения длины волны (13,5 нм вместо 193 нм) появляется существенный запас по разрешению. Огром- ным преимуществом данной технологии является ее сходство с обычной фо- 86 толитографией, для которой хорошо разработаны разнообразные техниче- ские приемы и теоретическая база. Кроме того, за счет запаса по разрешению не нужно достигать высоких значений числовой апертуры, а следовательно, проще устройство оптической системы и больше глубина фокуса. В настоящее время литография в области экстремального УФ активно развивается при масштабном финансировании, так как является единствен- ной возможной заменой классической фотолитографии в ближайшем буду- щем. Хотя разработки в области экстремального Уф начались в 1988 г, эко- номические спады, кризисы, впечатляющий прогресс УФ фотолитографии и отсутствие консенсуса по поводу выбора технологии литографии следующе- го поколения задерживало внедрение. В 2012-2013 г. нидерландской компа- нией ASML на заводы крупнейших компаний уже должны быть поставлены первые установки для отработки технологии и в 2014 – для промышленного производства. Для создания таких установок, в первую очередь, нужны источники в области экстремального УФ. Температура черного тела, излучающего на длине волны 13,5 нм составляет 220 000 °С (20 эВ). Наиболее перспективной технологией является использование высокотемпературной плотной Хе плазмы, которая образуется в результате воздействия мощного лазерного из- лучения и пинч-эффекта – компрессии плазмы импульсным магнитным по- лем (20-30 Тл). В настоящее время компанией Cymer совместно с ASML раз- работаны источники мощностью примерно до 90 Вт, что недостаточно для создания установок с высокой производительностью. Излучение с такой длиной волны сильно поглощается любыми веще- ствами, поэтому вся система должна работать в вакууме, что тоже добавляет технических сложностей. Более того, оптическая система может быть по- строена только на зеркалах, изготовленных на основе многослойных интер- ференционных покрытий Mo/Si с нанометровой толщиной слоев (требуется 30-60 слоев). Учитывая малую длину волны для минимизации искажений 87 волнового фронта требуется высокая точность обработки зеркал (шерохова- тость 0,1 нм, среднеквадратичное отклонение формы 0,15 нм!). Шаблоны также изготавливаются на основе зеркал с многослойными покрытиями. Возникают многочисленные сложности с разработкой резистов на эту длину волны, с метрологическим обеспечением и другими аспектами. Одна- ко, несмотря на все препятствия литография в области экстремального УФ непрерывно продвигается от исследований к реальном практическому при- менению. 11.3 Электронно-лучевая нанолитография Электронно-лучевая литография применяется для изготовления инте- гральных схем с 1957 г. Сейчас электронно-лучевая литография применяется для создания большинства фотошаблонов, может использоваться для созда- ния прототипов и экспериментальных образцов интегральных схем. Основное преимущество электронного пучка перед УФ излучением – длина волны. Для потока электронов, разогнанных в разности потенциалов V (в Вольтах) длина волны де Бройля (в нм) равна = [1.5/(V+10 - 6 V 2 )] 1/2 (5) Для применяемых энергий электронов это 0,01–0,001 нм. Таким обра- зом, проблемы с дифракцией быть не должно и теоретическое разрешение электронно-лучевой литографии должно быть очень высоким. Кроме того, так как угол фокусировки пучка небольшой, то сфокусированный электрон- ный пучок имеет очень большую глубину резкости по сравнению с проекци- онной фотолитографией. В электронно-лучевой литографии экспонирование производится сфо- кусированным электронным пучком. Очевидно, что этот процесс медленнее, чем параллельное экспонирование всего чипа в проекционной литографии. Возможности увеличения тока для уменьшение времени экспонирования од- ной точки ограничены, так как при большой величине тока пучка расстояние между отдельными электронами существенно уменьшается, что приводит к 88 их кулоновскому отталкиванию. Поэтому, в настоящий момент однолучевые методы принципиально не могут сравниться с проекционной литографии по производительности, а значит и по экономической эффективности. Более то- го, было показано, что переход от одной технологической нормы к другой приводит к непропорциональному росту времени экспонирования. Для ре- шения такой проблемы были предложены методы с использованием порядка 10 000 параллельных пучков с независимым управлением каждых пучком (проекты Mapper, SCALPEL, Nanolith). Изготовлены опытные установки, позволяющие делать экспонирование на пластинах диаметром 300 мм с при- емлемой скорость. Однако, до сих пор существенный прогресс фотолитогра- фии и литографии в области экстремального ультрафиолета не дает возмож- ности коммерческого использования электронно-лучевой литографии в мас- совом производстве. Для электронно-лучевой литографии характерен сильный эффект бли- зости за счет воздействия на резист обратнорассеянных электронов, так как они дают достаточно широкое распределение вокруг исходного сфокусиро- ванного пучка (характерный диаметр рассеяния – несколько мкм). Это при- водит к появлению общей засветки - отдельные линии и линии в массиве проявляются по разному. При более сложном рисунке результат оказывается менее предсказуемым и эффект трудно поддается компенсации. Можно осу- ществлять выравнивание интенсивности широким пучком или модулирова- ние интенсивности луча в зависимости от локальных особенностей рисунка, что требует решения обратной задачи. Также эффект близости можно уменьшить используя большую энергию электронов (75-100 кэВ), более тон- кий резист и использование подслоя из материала с небольшим атомным но- мером, что уменьшает обратное рассеяние электронов. |