КАЛУЖСКИЙ ФИЛИАЛ МОСКОВСКОГО
ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО
УНИВЕРСИТЕТА ИМЕНИ Н.И. БАУМАНА
Р Е Ф Е Р А Т
по НИРС
ЛИТОГРАФИЯВЫСОКОГО
РАЗРЕШЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Выполнил: Тимофеев А.
гр. ФТМ-61
Руководитель: Головатый Ю.П.
г. Калуга, 1996 г.
Содержание.
стр.
1. Фотолитография. 3
1.1 Ведение. 3
1.2 Основы оптики. 5
1.3 Контактная печать и печать с зазором. 8
1.4 Проекционная печать. 10
1.5 Совмещение. 12
1.6 Фотошаблоны. 13
1.7 Перспективы развития фотолитографии. 14
2. Электронно-лучевое экспонирование. 15
2.1 Введение. 15
2.2 Характеристики электронно-лучевыхустановок. 17
2.3 Поглощение излучения высоких энергий. 20
2.4 Производительность систем ЭЛэкспонирования. 20
2.5 Радиационные резисты. 22
2.6 Оборудование для ЭЛ экспонирования. 23
2.7 Совмещение. 27
2.8 Эффекты близости. 28
2.9 Радиационные повреждения приборов. 30
2.10 Перспективы. 31
3. Рентгеновскоеи ионно-лучевое экспонирование. 31
3.1 Рентгеновское излучение. 31
3.2 Ионные пучки. 33
4. Заключение. 35
5. Список литературы. 38
Фотолитография.
Введение.
Оптическая литография объединяет в себе такиеобласти науки, как оптика, механика и фотохимия. При любом типе печатиухудшается резкость края (рис. 1). Проецирование двумерного рисунка схемы ведетк уменьшению крутизны края, поэтому нужен специальный резист, в котором подвоздействием синусоидально модулированной интенсивности пучка будетформироваться прямоугольная маска для последующего переноса изображениятравлением или взрывной литографией.
Если две щели размещены на некотором расстоянии другот друга, то неэкспонируемый участок частично экспонируется по следующим причинам:
1) дифракция;
2) глубина фокуса объектива;
3) низкоконтрастный резист;
4) стоячие волны (отражение от подложки);
5) преломление света в резисте.
Рис. 1. Профили распределения интенсивности визображения для случаев контактной печати, печати с зазором и проекционнойлитографии.
Изображение неточечного источника в фокальнойплоскости идеального объектива никогда не бывает истинной точкой, араспределяется в дифракционную картину диска Эйри. Таким образом,неэкспонируемый промежуток частично экспонируется дифрагировавшим и отраженнымот подложки излучением. Из-за ограниченной селективности последующегопроцесса сухого травления резиста иподложки требуется получение рисунка с круглым профилем в относительно толстой
пленке. Вследствие внутреннего эффекта близости(дифракционные потери) изолированные экспонируемые линии облучаютсянедостаточно и должны экспонироваться с большей дозой (ведет к искажениюизображений линий размером более 3 мкм или неэкспонируемых промежутков размеромменее 3 мкм) или проявляться с потерей толщины резиста в неэкспонируемыхпромежутках.
Таким образом, задача фотолитографии заключается втом, чтобы обеспечить совмещение и воспроизвести в резисте двумерный рисунокфотошаблона с точностью в пределах ±15% от номинального размераего элементов и с 5%-ным допуском на требуемый наклон краев. Послойноесовмещение приборных структур должно осуществляться с точностью не хуже ±25% от размера минимальногоэлемента. Оценка влияния проекционной оптики и системы совмещения определяетсясуммой среднеквадратичных ошибок переноса изображения и совмещения. Ширинаминимально воспроизводимых линий при этом считается равной 4-кратной точностисовмещения.
Используемые в фотолитографии источники экспонирующего излучения бывают как точечными(лазеры), так и протяженными (ртутные лампы). Спектр излучения этих источниковлежит в трех основных спектральных диапазонах:
— Дальний УФ от 100 до 200-300 нм;
— Средний УФ 300-360 нм;
— Ближний УФ от 360-450.
Существует 3 типа фотолитографических устройств:
1) теневого экспонирования;
2) проекционные с преломляющей оптикой;
3) проекционные с отражательной оптикой.
При теневом экспонировании шаблон, выполненный вмасштабе 1: 1, находится в физическом контакте с подложкой или отдален от неена несколько микрометров в случае печати с зазором. Главными недостаткамиконтактной печати являются повреждения шаблона и ограниченная совместимость.
В проекционных системах используются линзы илизеркала, позволяющие проецировать рисунок фотошаблона (масштаб 10:1, 5:1 или1:1) на квадратное поле (20х20) или полоску (1,5 мм), которая затем сканируетсяпо пластине.
В стандартной проекционной системе, осуществляющейперенос изображения, фокус объектива (f) является функцией диаметра еговходного зрачка (D). Числовая апертура объектива (NA) в среде с показателемпреломления n определяется как
NA=n sin q= D / 2f. (1)
Разрешение (W) объектива, определяемое для двухнепрозрачных объектов, которые едва различимы в диске Эйри, согласно критериюРэлея, равно
W=K l/ NA (2).
Практическим разрешением считается 3- кратноезначение разрешения, определенного по Рэлею, на длине волны экспонирования l:
W=1.83 l/ NA (3).
Таким образом, разрешение улучшается прииспользовании более коротковолнового экспонирующего излучения (ДУФ) и объективас большей числовой апертурой (за счет уменьшения размера экспонируемого поля).К сожалению, глубина фокуса (DF) также уменьшается с ростом NA, и определениеместо положения каждого кристалла требует дополнительного фокусирования:
DF=±l/ 2 ( NA )2. (4)
Рис. 2. Зависимость числовой апертуры объектива отразмера поля изображения.
Для объектива с числовой апертурой NA=0.35 приэкспонировании на длине волны 300 нм глубина фокуса DF составляет менее 1.5мкм. В этом случае неплоскостность пластин, неровный топографический рельеф, атакже сама толщина резиста могут привести к невозможности получениясубмикронных структур. Увеличение апертуры, к сожалению, ведет к уменьшениюполя изображения, в этом случае за одну экспозицию возможно формирование лишьодного кристалла (рис. 2).
Основы оптики.
Размер скрытого изображения и величина краевогоградиента резистных профилей ограничивается следующими основными физическимисвойствами света:
1) когерентность;
2) дифракция;
3)интерференция;
4) астигматизм;
5) хроматические аберрации.
В случае когерентного излучения цуги световых волнраспространяются так, что их гребни и впадины согласованы по фазе друг сдругом. Монохроматические световые волны, распространяющиеся случайным образомтак, что их гребни и впадины не сфазированы (частично сфазированы), называютнекогерентным (частично когерентным) светом.
Если освещение изменяется от когерентного к частичнокогерентному, то контраст в передаваемом объективом изображении, эффективноеразрешение и глубина фокуса изображения уменьшаются. В проекционной системе сосветителем келеровского типа источник экспонирующего излучения проецируется вовходной зрачок проекционного объектива и это изображение становится эффективнымразмером источника. Если размер источника во входном зрачке увеличивается, то вслучае протяженного источника фазовая корреляция излучения в плоскости объектаослабевает, а дифракционные порядки идущего от предмета света увеличиваются вразмере (рис.3).
Рис. 3. Частично когерентное освещение ирезультирующее распределение интенсивности. Дифракционные порядки рассеянногона объекте света увеличиваются в размере.
Техническое определение разрешающей способностиобъектива исходит из возможности объектива разрешать последовательностьодинаковых прозрачных и непрозрачных полос (дифракционную решетку).Модуляционная передаточная функция (МПФ) выражает связь между объектом М1 иизображением М2:
МПФ=М1 / М2=( Макс — Мин) /
( Макс+Мин ). (5)
Коль скоро МПФ объектива определена, то могут бытьсделаны предположения относительно размера функции рассеяния точки (дискаЭйри),
контроля ширины линии и чувствительности к условиямэкспозиции. Модуляция в 60% соответствует Iмакс=80% и Iмин=20% интенсивности света,пропущенного дифракционными элементами объектива (рис.4). При минимальной МПФ »0.60 допускается 20%-ое недоэкспонированиерезиста. МПФ проекционной системы, имеющий дифракционные ограничения инекогерентный источник, идентично преобразованию Фурье круглого входного зрачка объектива:
МПФ= 2 / p[ ( f / 2 fc — f / pfc )(1 — ( f / 2 fc )2)1/2] . (6)
где fc — (когерентная) пространственнаячастота отсечки:
fc=[М / ( 1 + M )] 1 / l( tg arcsin NA), (7)
где М — увеличение системы, l — длина световой волны.
Рис. 4. Модуляционная передаточная функция.
Толщина резиста учитывается посредством усредненияМПФ системы в фокусе на поверхности резиста (t=0) и вне фокуса на дне резиста(t). Дефокусировка рассматривается как аберрация. Дефокусированная МПФ естьпроизведение сфокусированной МПФ и фурье-преобразования диска Эйри:
F( f )=( 1 / pR f ) J ( 2 pR f ), (8)
где R- радиус диска, J- функция Бесселя первогопорядка. Таким
образом, для резиста заданной толщины t (рис.5):
МПФt=[(1+F)/2]МПФ0. (9)
МПФ оптических приборов резко спадает на пространственной частоте, котораяограничивает диапазон пространственных частот изображаемого предмета. Приувеличении NA и уменьшении lулучшается качествопередачи изображения (рис. 6). Расфокусировка может рассматриваться какаберрация. Таким образом, использование тонких пленок в многослойном резистеили резисте с поверхностным переносом изображения позволяет увеличитьразрешение, особенно в случае близко расположенных линий или элементов.
Рис. 5. МПФ при толщине резиста: 0.4 (А), 0.8 (В)и 1.2мкм (С).
Рис. 6. Зависимость МПФ от числовой апертуры.
При моделировании реальных резистных профилейнеравномерность распределения интенсивности по краю пучка, взаимодействиепроявителя с резистом (контраст) и МПФоб. оптической системыучитываются в следующем дифференциальном выражении для изменения ширины линии:
dydx=(¶y/¶E)(¶E/¶x), (10)
где E — поглощенная резистом энергия. В случаеслабопоглащающего резиста и слабо отражающей подложки первый сомножительзависит от свойств конкретного резиста и процесса его обработки, а второй — только от свойств оптической системы. Величина ¶E/¶x характеризует распределение интенсивности визображении и зависит от длины волны экспонирования l, числовой апертуры NA, отклонения (Ùz) положения плоскостирезиста от фокальной плоскости и однородности освещения:
¶E/¶x@(2NA/l)[1-k(Dz(NA)2/l)]2. (11)
Параметр k равен единице или слегка отличается отнее для различных степеней частичной когерентности освещения. Контрастпозитивного резиста определяется из выражения
g=[lg(E0/ E1)]-1, (12)
где E1 - энергия экспозиции, ниже которой не происходит удаления резиста впроявителе, E0 — энергия экспозиции, при которой резист полностьюудаляется при проявлении. Обычно E1 не зависит от толщины резиста t,в то время как значение E0на глубине t зависит от поглощения в слоерезиста толщиной t (E0»10-at). С учетом этихпредположений
g=(b+at)-1, (13)
где b — постоянная, a — коэффициент поглощения резиста. При a=0.4 поглощение в резистной пленке однородно,а g@2.5. Сомножитель, зависящийот процесса обработки резиста, в этом случае равен
¶y/¶E=g/ E0. (14)
Изменение профиля резиста в определенных вышепараметрах описывается следующим образом:
¶y/¶x=[NA/(l(b+at) E0)][1-k(Dz(NA)2/l)]2. (15)
Рис. 7. Влияние длины волныэкспонирующего излу-
чения на разрешение для сканера сотражательной
оптикой : когерентность 75% , оптическая сила
объектива F/3.
Из (рис.7) видно, что использованиевысококонтрастных резистов с низким поглощением допускает больший произвол ввыборе энергии экспозиции и большие вариации во времени интенсивности выходногоизлучения. Кроме того, моделирование двух объективов с разными NA дает болеевысокий краевой градиент и большие допуски на процесс проявления для систем сбольшей NA. Нерастворимость негативных резистов убывает с глубиной, поэтому ихобычно переэкспонируют для обеспечения достаточной адгезии подложки.
Контактная печать и печать с зазором.
В принципе сколь угодно высокое разрешение можетбыть получено при физическом контакте шаблона и подложки, а также методомпрямого молекулярного осаждения. Однако на практике молекулярный контакт трудноосуществить, а шаблон после десятка проходов при совмещении и печатиповреждается. Перемещения и шаблона, и пластины в процессе совмещения вызываютошибки оператора и ограничивают точность совмещения примерно до ±1 мкм. На ранних этапах развития литографииконтактная печать служила основным методом для получения изображений сразмерами 3-10 мкм. Поскольку для жидкостного травления важен не профиль изображенияв резисте, а его ширина, уход размеров в пределах ±1 мкм при жидкостном проявлении совместим сотклонениями ±1 мкм при печати.
МПФ контактной печати очень высока (>0.8), и при использовании соответствующегоконтактного шаблона или двухслойных резистов могут быть получены изображенияразмером вплоть до 0.1 мкм. При использовании ДУФ-излучения метод печати сзазором позволяет получать в ПММА рисунки с шириной лини 1 мкм. Если зазор Zмежду шаблоном и пластиной превышает френелевский предел (±5%-ный допуск для интенсивности и 20%-ныйдопуск для ширины линии), предельное разрешение W составляет 1-2 мкм для зазора5-10 мкм:
¾¾¾¾¾¾¾
W@Ö0.7 lZ . (16)
При дальнейшем увеличении зазора в изображениипоявляются вторые и третьи дифракционные порядки и результирующий профильоказывается сужающимся книзу.
Близко расположенные линии при контактной печати илипечати с зазором расплываются из-за конструктивной интерференции между волнами,дифрагировавшими на соответствующих отверстиях. Однако если на одно из соседнихотверстий шаблона нанесено покрытие, изменяющее фазу проходящего через негоизлучения на 1800, то при толщине этого покрытия
t=l(2n-1) (17)
между световыми потоками от различных отверстий происходитдеструктивная интерференция.
Рис. 8.Изменение ширины линии в зависимости от величины зазора при печати с зазором.
Она минимизирует дифрак-ционные эффекты и позволяетработать с двое большими зазорами. Максимальным удалением шаблона от пластины(или предельным размером посторонней частицы между шаблоном и резистом)является удаление при котором искажение изображения не превышает 10% (рис.8).
Использование более коротковолнового излучения вконтактной печати и печати с зазором также позволяет работать с большимизазорами. Круглые отверстия воспроизводятся лучше, чем прямоугольные фигуры, вкоторых наблюдается закругление углов вследствие внутреннего эффекта близости.
Благодаря дифракции дефекты в виде точечных проколовне воспроизводится. Использование негативных фоторезистов в методе печати с зазором затруднено тем, чтоинтенсивность дифрагировавшего на шаблоне света уменьшается при егораспространении за шаблоном, и в резисте пропечатываются высокие порядкидифракции.
Практически метод печати с зазором являетсякомпромиссом между разрешением и себестоимостью интегральных схем за счетчастой смены шаблонов (в контактной печати). Печать с зазором требуетпрецизионной установки зазора, должного совмещения и хорошей коллимации пучка.
Главные проблемы контактной печати связаны снеудовлетворительным контактом шаблон — пластина и накоплением дефектов. Плохойконтакт между шаблоном и пластиной может быть вызван линейным или нелинейнымискривлением пластины после нанесения эпитаксиальных слоев, частицамизагрязнений или краевым валиком резистной пленки, образующимся прицентрифуговании.
Проекционная печать.
В сканирующих системах (сканерах) и устройствахпошагового совмещения (степперах) используется как отражательная, так и преломляющаяоптика. При сканировании пластина экспонируется последовательностью проходов ивозможностью пересовмещения по локальным меткам в середине пластиныотсутствует. Если в первом поколении степперов перемещение осуществлялосьперемещение на фиксированный шаг без обращения к локальным меткам совмещения всередине пластины, то в современных степперах проводится совмещение на каждоеполе и достигается согласование по двум координатам, углу поворота, фокусу инаклону.
Степперы обладают лучшей точностью совмещения, в нихиспользуются более дешевые шаблоны и существующие позитивные резисты,экспонируемые в спектральном диапазоне 365-435 нм. Однако производительностьстепперов ниже производительности оптических сканеров. Главное преимуществостеппера 10:1 заключается в уменьшении влияния неточности фотошаблона донесущественных значений и в более высоком разрешении по сравнению с объективамис 5- кратным уменьшением. С другой стороны, жертвуя разрешением в системе 5:1,получаем выигрыш в существенно большем размере поля изображения (рис. 9). Длякристаллов ИС небольших размеров метод проекционной печати позволяетвоспроизводить элементы в резисте с минимальными размерами вплоть до 0.1 мкм.
Рис. 9. Зависимость предельного разре-шения отразмера поля изображения для объективов 10Х и 5Х.
Считая характеристики степпера и сканера одинаковымипри воспроизведении 1,5-мкм линии, запишем выражение для производительности Ттакой системы:
Т=3600/[tOH+N(talign+tprealign+tstep+
+texp)], (18)
где N — число шагов для степпера и N=0 для сканера;полное время tOH включает в себя время: экспозиции (texp); совмещения (talign);шагового сдвига (tstep); установки (tsetup);предсовмещения на длине волны 435 нм (tprealign).
Размеры экспонируемого поля определяет число шаговна единицу площади пластины.
Время экспонирования texp зависит от:
— толщины резиста;
— длины волны излучения лампового источника l;
— коэффициента поглощения резиста;
— толщины остаточного резиста;
— коэффициента отражения подложки;
— наличия усиливающего контраст слоя;
— интенсивности источника.
Процессы пошагового сдвига и совмещения оказываютосновное влияние на производительность степпера. Использование мощных ртутныхламп или лазеров для метода экспонирования “вспышка на лету” позволит уменьшитьвремя экспонирования до значений, меньших времени перемещения и совмещения.Толщина резиста и его коэффициент поглощения также влияют на производительностьпроекционной системы. Величина коэффициента поглощения резиста очень важна, таккак определяет разрешение и скорость растворения резиста. Для уменьшенияинтерференционных эффектов на поверхность резиста или под него наносятсяпротивоореольные слои, а также вводятся специальные примеси к резистам. Однаколюбые добавки к резистам или нанесение покрытия неизбежно будут поглощатьизлучение, и для компенсации эффекта внутренней фильтрации потребуетсяувеличение времени экспонирования. Интерференционные и дифракционные эффектывызывают модуляцию интенсивности, и, следовательно, влияют на время экспозициии ширину воспроизводимых линий. Экспонирование монохроматическим светомуменьшает дифракции Френеля, но усиливает эффект стоячих волн, которыевозникают, если оптический путь кратен длине световой волны. В случае печати сзазором подбором зазора можно уменьшить эффект стоячих волн. Это достигаетсяпри следующих условиях:
n2=(n1n3)1/2, (19)
h2=l/4n2, (20)
где n1, n2, n3 — показатели преломления резиста вещества, заполняющего зазор, и подложки; h2 — величина зазора или толщина материала в зазоре.
Однако этот тип искажений гораздо сильнеепроявляется при когерентном освещении.
В методе проекционной печати возможность контроляпрофиля и ширины воспроизводимых элементов рисунка фотошаблона определяетсяхарактеристиками проекционной оптики, контрастом резиста, коэффициентомотражения подложки и глубиной фокуса используемого объектива. Дифракция ведет ктому, что изображение полосок с промежутком 1.5 мкм подвержены сильномувоздействию взаимного эффекта близости. Изменение профиля падающего пучкасильнее проявляется в искажении близко расположенных неэкспонируемыхпромежутков в позитивном резисте, нежели изолированной линии (рис.10).
Рис. 10. Изменение ширины линии в резисте при недо-и переэкспониро-вании.
В изображениях, находящихся вне фокуса из-за ступенчатого рельефа илиискривлений пластины, тоже происходит уменьшение интенсивности экспонирующегоизлучения. Расфокусирование ±1 мкм соответствует 20%-ымпотерям интенсивности или отклонению ширины линии от требуемого значения на ±2 мкм, в то время как для обеспечения измененияширины линии в пределах ±0.1 мкм возможное отклонение интенсивностиизлучения не должно превышать ±5%.
При проекционной печати происходит накопление пылина поверхности фотошаблона. Количество пропечатанных дефектов можно уменьшитьприменением пленочных покрытий (тонкая пленка полимера), которые дефокусируютизображение частиц пыли, оказывающихся в этом случае на некотором расстоянии отповерхности фотошаблона.
Совмещение.
В процессе изготовления ИС на подложке формируются топологические слои, которыедолжны последовательно воспроизведены в заданных относительно друг другапозициях, определяемых разработчиком ИС. Для большинства ИС требования надопуск при совмещении составляют примерно 1/4 минимального разрешаемого размераэлемента.
Существует два основных метода совмещения: отделенное от проекционного объектива (глобальное) и совмещение черезпроекционный объектив (локальное). Глобальное совмещение включает в себявращательное и поступательное совмещение пластины и шаблона. Перепозиционированиеосуществляется с использованием лазерных интерферометров или при помощивизуального определения положения пластины через контрольный объектив передначалом экспонирования.
Совмещение зависит от оптических свойств системы,плоскости поверхностей фотошаблона и подложки, а также вида меток совмещения испособов обработки сигнала рассовмещения.
Для распознавания и коррекции ошибок совмещенияпроводят измерения плоскостности пластин, ширины линий и совмещений, используянониусы:
1) электрический тест — создаются проводящие слоидля образования делителей напряжения;
2) оптический тест — регистрация интерференционногосдвига. Измеряется амплитуда дифра