Данилова - Процессы в микро и наноэлектронике. Т. И. Данилина, К. И. Смирнова Процессы микро и нанотехнологии
 Скачать 22.56 Mb.
|
|
2.5. Методы и технология формирования рисунка тонкопленочных элементов Для создания геометрического рисунка совмещенных тонкопле- ночных элементов, образующих многослойную структуру, можно вы- делить две группы методов: контактные маски и методы свободной маски.В технологии полупроводниковых ИМС используются контакт- ные маски, которые представляют собой применение последователь- ной селективной и обратной фотолитографий. Метод последователь- ной ФЛ (прямые маски) представлен на рис.2.15 а. Сначала на под- ложку 1 наносится тонкопленочный слой из рабочего материала 2, на- пример, SiO 2 на кремниевую подложку, затем контактной фотолито- графией формируется фоторезистивная маска (рис.2.15, 4-7). Через прямую ФР-маску травится слой SiO 2 . Травитель для SiO 2 не должен разрушать и травить (селективный травитель). После травления ФР- маска удаляется. 33 Рис.2.15. Методы последовательной (а) и обратной фотолитогра- фий (б). 1 - подложка; 2 - слой SiO 2 ; 3 - слой меди; 4 - фоторезист; 5 - фотошаблон; 6 - излучение; 7 - фоторезистивная маска; 8 - обратная маска в слое меди; 9 - пленка рабочего материала; 10 - рисунок в рабочем слое. В обратной ФЛ маска формируется в слое ФР или в пленке из вспомогательного металла, который легко травится, например, из меди (рис.2.15 б). Пленка меди 3 напыляется непосредственно на подложку 1. С помощью фоторезистивного защитного рельефа 4 в нем формиру- ется рисунок 8, негативный (обратный) по отношению к требуемому изображению. Фоторезистивная маска удаляется и на металлическую маску наносится рабочий материал 9. При травлении материала маски (меди), находящейся под рабочим слоем, последний удаляется с под- ложки, за исключением мест, где он осажден непосредственно на под- ложку. За счет этого получается рисунок 10 в рабочем материале. Од- нако технологический процесс с обратной металлической маской не- сколько усложняется. Возможен и упрощенный метод обратной ФЛ, при котором на подложку наносится фоторезист и на нем образуется а) б) 4 3 2 1 6 5 7 8 9 10 34 негативный рисунок требуемой конфигурации; далее наносится сплошной слой рабочей пленки, который удаляется с подложки вместе с фоторезистом. Метод обратной фоторезистивной маски исключает действие сильных травителей на пленку, так как ФР удаляется органическим растворителем. Однако, используя обратную ФР маску, нельзя приме- нять сильный нагрев, так как он приводит к дополнительной полиме- ризации или разложению фоторезиста. В процессах, в которых имеет место нагрев, следует применять обратную ФЛ с подслоем (рис.2.15 б). Особенностью фотолитографии для пленочных микросхем являет- ся широкий диапазон применяемых материалов и методов их осажде- ния, что требует более разнообразных способов формирования рисун- ка, чем в полупроводниковой технологии [5]. В тонкопленочной тех- нологии используются разнообразные методы селективного травления через фоторезистивные и металлические маски, а также обратные мас- ки, если трудно подобрать селективный травитель. Рассмотрим получение рисунка тонкопленочных резисторов на основе пленок хрома с контактами из меди и никеля. При прямой ФЛ на подложку 1 напыляются три сплошных слоя: хром 2, медь 3 и ни- кель 4 (рис.2.16 а). Нанесенный ФР 7 экспонируют через ФШ: задаю- щий совместный рисунок резистора и контактных площадок. Затем травят одновременно все три слоя на участках, незащищенных ФР (рис.2.16 а, 8). Вторая фотолитография проводится с целью формиро- вания защитного рельефа на контактах, через который удаляют с по- мощью селективного травителя пленки меди и никеля с самого рези- стора (рис.2.16, 9-10). В результате получается резистор из пленки хрома с трехслойными контактами хром-медь-никель. Формирование этого же тонкопленочного резистора с применением обратной ФЛ представлено на рис.2.16 б. Рисунок резистора с контактами формиру- ется прямой фотолитографией на пленке хрома 11. Затем наносится ФР 12 и формируется защитный рельеф, на который напыляется сплошным слоем материал контактов 13. При травлении обратной фо- торезистивной маски удаляется лежащая на ней пленка и получается резистор и контакты с подслоем хрома 14. 35 Рис.2.16. Формирование рисунка тонкопленочных резисторов с применением прямой (а) и обратной (б) масок 1 - подложки; 2 - пленка хрома; 3 - пленка меди; 4 - пленка никеля; 5 - излучение; 6 - фотошаблон; 7,12 - фоторезист; 8,9 - ФР-маски; 10 - ре- зистор из пленки хрома с контактами хром-медь-никель; 11 – рисунок резистора из пленки хрома; 13 - пленка материала контактов; 14 - ре- зистор с контактами. 4 3 2 1 5 6 7 8 9 13 14 10 11 12 а) б) 36 Достоинством контактных масок является их высокая точность, а недостатком - многократность повторения процессов ФЛ, действие травителей на пленки, что ухудшает их свойства. Метод свободных масок базируется на использовании специаль- ных металлических трафаретов. К трафарету предъявляют ряд требо- ваний, определяемых условиями его эксплуатации. Трафарет исполь- зуют в качестве маски при напылении пленок методом термического испарения в вакууме. Он устанавливается перед подложкой с некото- рым зазором. Напыляемое вещество с испарителя поступает на под- ложку только через окна в трафарете, которые и образуют рисунок. Поэтому трафарет должен обладать жесткостью и упругостью, чтобы при нагреве в процессе напыления не деформироваться, но при этом быть достаточно тонким для уменьшения эффекта затенения. Этим требованиям удовлетворяют сплавы меди, сталь, молибден, бериллие- вая бронза при толщинах фольги 50-125 мкм. Схема изготовления монометаллического трафарета представлена на рис.2.17 а и включает в себя операции изготовления ФР маски (на- несение ФР1 на фольгу 2, экспонирование 3 , проявление). Затем сле- дует операция травления фольги. На операции травления другую сто- рону пластины защищают лаком 5. Величина подтравливания прибли- зительно равна глубине травления 6 (рис.2.17 а). Монометаллические трафареты, полученные методом контактной ФЛ, применяют редко из- за сильного растравливания материала фольги и ограниченной точно- сти перенесения рисунка с фотошаблона (до 5-15 мкм). Для устранения подтравливания применяют биметаллические трафареты, в которых один слой, более толстый (100-150 мкм), служит основой и обеспечивает механическую прочность маски; другой слой относительно тонкий (7-10 мкм), является собственно трафаретом и обеспечивает точное воспроизведение рисунка (биметаллический тра- фарет). В качестве основы биметаллического трафарета применяют пла- стины из бериллиевой бронзы толщиной 0,1-0,15 мм, на которой фор- мируют защитную маску из фоторезиста (рис.2.17 б). Изолирующий рисунок на поверхности пластины соответствует будущим местам от- верстий в трафарете. На открытые участки пластины гальваническим способом наращивают слой никеля толщиной до 10 мкм. Затем фото- резистивную маску удаляют и травят пластину на всю глубину, при этом слой никеля выполняет функцию защитной маски. Биметалличе- ские трафареты характеризуются более высокой точностью по сравне- нию с монометаллическими трафаретами, но отличаются непрочно- 37 стью нависающих слоев никеля и возможностью зарастания щели при напылении материалов. Рис.2.17. Схема изготовления монометаллического (а) и биметал- лического (б) трафаретов 1 - фоторезист; 2 - фольга; 3 - излучение; 4 - фотошаблон; 5 - лак; 6 - подтрав; 7 - монометаллический трафарет; 8 - ФР-маска -; 9 - слой никеля; 10 - биметаллический трафарет. 3. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ 3.1. Электронно-лучевая литография Данная литография основана на непосредственном создании или проекционном переносе изображения с помощью пучка электронов. Техника формирования электронного луча во многом напоминает идею телевизионной трубки. 1 2 3 4 6 5 9 а) б) 7 8 10 38 Электронный пучок, ускоренный электрическим полем при разно- сти потенциалов U, характеризуется длиной волны: U me h × = 2 / l , где h - постоянная Планка; m,e - масса и заряд электрона; U - ускоряющее напряжение. При разности потенциалов 15000 В длина волны составляет 0,01 нм, а это почти в десять тысяч раз меньше длины волны ультрафиоле- тового излучения, используемого при фотолитографии. Следователь- но, при субмикронных размерах топологии такая длина волны не вы- зовет паразитных оптических эффектов, присущих ультрафиолетовому экспонированию. С другой стороны, коротковолновое излучение является высоко- энергетичным, поскольку энергия кванта света определяется как l g / hc E = , где c - скорость света в вакууме. В связи с высокоэнергетичным электронным пучком в электроно- литографии применяют не фоторезисты, а специальные электрон- чувствительные полимерные составы - электронорезисты. Практические возможности электронно-лучевой литографии оце- ниваются размерами 0,2-0,3 мкм. Другим преимуществом является большая глубина резкости передаваемого изображения. Поэтому здесь не происходит искажения рисунка микросхемы при увеличении глу- бины рельефа многослойных структур и неплоскостности поверхности пластины. Применение ЭВМ для непосредственного управления элек- тронным лучом позволяет легко перестраивать и корректировать про- грамму экспонирования. Существует три основных области применения электронно- лучевой литографии: в технологии производства эталонных фотошаб- лонов и промежуточных оригиналов с размерами элементов менее 2 мкм; при изготовлении БИС с размерами менее 1 мкм путем непосред- ственной микрогравировки технологических слоев; в производстве высокоточных шаблонов для рентгеновской литографии и фотолито- графии глубокого ультрафиолета. Процесс электронно-лучевой литографии показан на рис.3.1. В ос- нове метода лежит воздействие управляющего остросфокусированного электронного луча на резист. Электроны либо локально разрушают его, либо сшивают молекулы, изменяя его свойства. В процессе прояв- ления селективно удаляется экспонированная часть (позитивный ре- зист), либо неэкспонированная часть (негативный резист). 39 Формирование топологического рисунка осуществляют: вектор- ным сканированием, при котором сначала лучом рисуют требуемую фигуру, затем скачком перемещают его в другое поле сканирования и приступают к формированию следующей фигуры растровым сканиро- ванием, при котором сканирование происходит по всей площади, на- подобие телевизионного растра, однако воздействие осуществляется только на тех участках, которые должны быть экспонированы. Максимальная разрешающая способность определяется мини- мальной шириной линии экспонирования. Она зависит от диаметра электронного пучка и размера области обратного рассеяния, т.е. облас- ти резиста, в которую проникают электроны, отразившиеся от рабоче- го материала (рис.3.2). Характеристики рассеяния зависят от энергии, плотности тока и геометрии электронного луча, толщины слоя элек- тронорезиста и материала подложки. Обратное рассеяние электронов оказывает влияние на экспонирование электронорезиста. Электронная пушка Электрод запирания луча Фокусирую- щая катушка Отклоняющая система Электронный луч ЭЛ экспонирование резиста Топологический рисунок Пятна от ЭЛ Ввод данных ЦВМ с памя- тью ЦАП и схемы управления лучом Рис. 3.1. Последовательность операций электронно-лучевой литографии 40 Рис.3.2. Рассеяние пучка электронов в слое электронорезиста и подложке: 1 - первичный пучок электронов; 2 - слой электронорезиста; 3 - подложка; 4 - область прямого и обратного рассеяния электронов; - 0 d диаметр падающего пучка электронов. Разрешающая способность электронной литографии определяется диаметром электронного луча и его уширением в слое резиста при экспонировании. При непосредственном формировании рисунка ост- росфокусированным электронным лучом минимальный размер экспо- нируемой линии, т.е. разрешающая способность, оценивается , min min y d b D + = где d min - минимальный диаметр электронного луча при оптимальном значении угла сходимости; Dy - уширение электронного луча в слое резиста. Методика расчетов d min и Dy приводится в /6/. Для обеспечения требуемого размера элементов b min определяется d min при рассчитанном уширении Dy. Суммарное уширение складывается из Dy 1 за счет упру- гого рассеяния и Dy отр за счет вторичных электронов, отраженных от подложки. Обычно Dy 1 меньше Dy отр и его в оценочных расчетах мож- но не учитывать, т.е. min min отр y b d D - = В расчетах Dy отр все данные для электронорезиста ПММА выби- раются из /6/. Минимальный диаметр электронного луча рассчитывается в /6/ при оптимальном значении угла сходимости. 4 2 3 1 d 0 41 Ограничения электронно-лучевой литографии связаны с материа- лом резиста, электронным лучом и системой управления электронно- лучевой установки. Попадающий на мишень электронный луч создает заряд 0 S , равный произведению плотности тока на время экспониро- вания. Полезное действие луча на поверхность мишени можно выра- зить через число электронов, приходящихся на единицу площади, ко- торые необходимы для получения нужного эффекта. Время, необхо- димое для экспонирования пятна диаметром d лучом с плотностью тока 0 j на поверхности мишени, равно 0 0 j S t = Например, чтобы экс- понировать резист с = 0 S 5 10 8 - × Кл/ 2 см требуется e S 0 электро- нов, т.е. 14 10 5 × электрон/ 2 см . Чем меньше значение , 0 S тем выше чувствительность резиста, т.е. для достижения нужного эффекта в ре- зисте требуется меньшее число электронов. Для резиста с 7 0 10 - = S Кл/ 2 см требуется для обработки элемента разложения площадью 1 , 0 1 , 0 ´ = А 2 см число электронов , 0 e A S N e × = т.е. 9 10 6 × элетро- нов. Однако, если = A 01 , 0 01 , 0 ´ 2 мкм , то для того же резиста 6 , 0 » e N электрона. Для полной уверенности, что резист экспонирован должным об- разом, минимальное число электронов, которые определенно попада- ют на данный участок, составляет 200 min = N Поэтому в областях с малыми размерами минимальная ширина линии min b связана с дозой выражением ( ) 0 min 2 min S e N b × = Из выражения видно, что очень чувствительные резисты не пригодны для формирования структур с высокой разрешающей способностью, если только на область с малыми размерами не попадает число элек- тронов, существенно большее минимального. Помимо ограничений, налагаемых чувствительностью и реальной разрешающей способностью резиста, существует ряд ограничений, 42 связанных с электронно-лучевой установкой. Зависимость плотности тока луча и, следовательно, времени экспонирования от параметров электронно-оптической системы можно описать уравнением , 94 , 1 3 2 3 2 min 0 опт 0 опт B d C S j S t s × × × = = где - 0 S чувствительность фоторезиста; - опт j плотность тока луча при оптимальном значении угла схо- димости; - s C коэффициент сферической аберрации электронно- оптической линзы; - min d минимальный диаметр электронного луча при оптималь- ном значении угла сходимости; - B яркость электронной пушки. Из уравнения видно, что для получения заданной ширины линии можно уменьшать t, варьируя чувствительность резиста , 0 S яркость источника B или коэффициент сферической аберрации линзы s C Время экспонирования больших участков равно , t n T × = где n — полное число приходящихся на данный участок элементов разложе- ния. Таким образом, существуют четыре независимые соотношения, определяющие связь времени экспонирования элемента разложения с параметрами луча или свойствами резиста. Эти соотношения включа- ют основные параметры — плотность тока луча, ширину линий, диа- метр луча и чувствительность резиста. Фактически необходимое время экспонирования определяют путем совместного решения этих четырех уравнений [6]. Основное преимущество электронно-лучевой литографии со- стоит в повышении разрешающей способности, однако, существуют некоторые другие выигрышные факторы технического и экономиче- ского характера. Так, возможно ускорение изготовления шаблонов для фотолитографии с размерами элементов рисунка 1–5 мкм. Цикл изго- товления шаблона может составить всего 1–2 дня по сравнению с ше- стью неделями, которые обычно тратятся на вычерчивание, фотогра- фирование с уменьшением, мультиплицирование и т.д. Возможность создавать рисунки с высокой разрешающей способностью методом последовательного электронно-лучевого экспонирования позволяет решить проблемы, обусловленные искривлением (неплоскостностью) 43 пластин. Применение электронно-лучевой литографии позволяет улучшить воспроизводимость ширины линий, точность размещения элементов рисунка и точность совмещения нового рисунка с ранее сформированными на пластине элементами, что весьма важно для уве- личения плотности размещения компонентов в СБИС. Многие из дос- тоинств обусловлены тем, что движение электронного луча програм- мируется и управляется с помощью ЭВМ. Возможность создания то- пологических рисунков с помощью ЭВМ и изменения их путем про- стой модификации программ может сделать малосерийное производ- ство интегральных схем более экономичным. |