Глава 1. Электронно-лучевая литография

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 1

Глава 1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ.. 4

1.1 ФОРМИРОВАНИЕ РИСУНКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ. 4

1.2 МЕТОДЫ РЕПРОДУЦИРОВАНИЯ. 10

1.3. СОВМЕСТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ. 12

1.4 ПРЕИМУЩЕСТВА ЛИТОГРАФИИ С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ. 13

Глава 2. ТИПЫ ПРИБОРОВ, НАИБОЛЕЕ ПОДХОДЯЩИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ. 14

2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ОТ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ. 16

Глава 3. ОГРАНИЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ. 20

3.1 ОГРАНИЧЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РЕЗИСТОМ. 21

3.2 НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ТЕХНОЛОГИИ. 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 30

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В последние два десятилетия происходило исключительно быст­рое развитие технологии и областей применения микроэлектроники. Микроэлектроника достигла уровня, в настоящее время определя­ющего практически все аспекты гражданской и военной электрон­ной аппаратуры. Микроэлектроника **, в частности интегральные схемы, уже вызвала глубокие изменения в самых различных облас­тях техники — ЭВМ, управляющих систем в промышленности, элек­троники военного применения, наручных часов, автомобилей и фо­тоаппаратов. Существенно уменьшены, особенно в последние годы, размеры микроэлектронных приборов, улучшены их характеристи­ки: например, схемы на транзисторах могут работать с рабочей частотой свыше 1 ГГц, хотя еще сравнительно недавно ставилась -задача достичь частоты 10 МГц.

Несмотря на столь быструю эволюцию, во многих областях тре­буются еще более высокие параметры (в частности, меньшая по­требляемая мощность и большее быстродействие) и большая функ­циональная плотность компонентов; во всех случаях необходимы более высокая надежность и меньшая стоимость. Чтобы удовлетво­рить эти требования, в микроэлектронной промышленности вынуж­дены внедрять новейшие методы обработки, изготовления и управ­ления (контроля) технологическими процессами. Одним из наибо­лее перспективных способов достижения этих целей является умень­шение размеров приборов — создание ИС с повышенной функци­ональной плотностью компонентов. Такие ИС позволяют увеличить рабочую частоту и снизить потребляемую мощность. Повышение выхода годных структур, связанное с уменьшением размеров кристаллов (при сохранении большого числа выполняемых функций), приводит к снижению стоимости и предположительно к повышению надежности.

 

Таким образом, увеличение функциональной плотно­сти является и целью, и стимулом развития технологии. Современный процесс оптической ФЛ может быть назван кра­еугольным камнем технологии изготовления ИС. Однако в ряду основных технологических процессов изготовления ИС фотолито­графия характеризуется наименьшим выходом годных. Помимо это­го, ФЛ как метод формирования рисунка не может обеспечить тре­буемых параметров и функциональной плотности компонентов в разработке новейших микроэлектронных приборов. Поэтому необ­ходим новый, отличный от ФЛ процесс формирования рисунка, ко­торому в свою очередь требуются новые дополняющие технологиче­ские процессы. Для достижения желаемых параметров, стоимости и надежности необходимы также сложнейшие методы технологиче­ского контроля в сочетании с автоматизацией процессов изготовле­ния и управления ими с помощью процессоров.

Большими возможностями для решения перечисленных задач обладают разные виды излучений с большой энергией, в частности электронное, ионное и лазерное [7, 9—11, 62]. Так, ионные пучки можно применять для внедрения атомов примеси в полупроводник в дополнение к диффузии или взамен нее. С помощью электронного луча можно формировать рисунок в слое резиста. В настоящее вре­мя для этого применяют фотолитографию. С помощью лазерного и электронного лучей можно проводить отжиг дефектов кристалличе­ской структуры пластин с лучшими результатами, чем в высокотем­пературных печах. Преимуществом использования в технологиче­ских процессах и для исследовательских целей пучков (особенно пучков заряженных частиц) является их способность производить то же действие, какое обеспечивают традиционные методы, но ка­чественно иным путем.

Поэтому можно ожидать существенных из­менений получаемых результатов, и эти ожидания оправдываются на практике.

Например, лазерные лучи и ионные пучки успешно применяются для подгонки номиналов пленочных резисторов и ионного легирования соответственно.

Электронный луч можно при­менять для создания рисунков с меньшими размерами и лучшей разрешающей способностью по сравнению с самым совершенным фотолитографическим процессом. Есть основания считать, что до­статочно скоро удастся ослабить действие факторов, ухудшающих выход годных структур, снизить плотность дефектов в структуре и создать электронно-лучевые установки (ЭЛУ) для экономически эффективного производства приборов. Технология ЭЛЛ выходит из стен лаборатории и внедряется в производство, она дает начало новому поколению литографических процессов и высокоэффектив­ных средств для изготовления микроэлектронных приборов.

Цель этой книги — описать технологические процессы и обору­дование для литографии с высокой разрешающей способностью, используемые при изготовлении микроэлектронных приборов, а также определить ее место в общем технологическом цикле.

 

 

МЕТОДЫ РЕПРОДУЦИРОВАНИЯ.

 

Если быстродействующие полупроводниковые приборы и инте­гральные схемы можно изготавливать непосредственным электрон­но-лучевым экспонированием в небольших объемах (по современ­ным производственным нормам), то при массовом производстве сложных приборов экономически выгоднее применять шаблоны, полученные с помощью электронно-лучевой литографии. Ясно, что методика репродуцирования должна обеспечивать примерно одина­ковую с электронно-лучевым экспонированием разрешающую способность.

Четыре наиболее перспективных метода репродуцирова­ния с высокой разрешающей способностью приведены на рис. 5. Они основаны на бесконтактном репродуцировании рисунка шаб­лона с помощью электронного (рис. 5, а, б) или рентгеновского (рис 5, в) луча. Среди этих проекционных методов рентгенолитографии присущи минимальные дифракционные искажения, и она обеспечивает наиболее высокую разрешающую способность.

В ла­бораторных условиях методом электронной проекции с фотокато­дом получены линии шириной 0,5 мкм на поле 75 мм [45] и мето­дом рентгенолитографии — линии шириной 0,1 мкм [24]. Целесо­образно использовать шаблоны, полученные с помощью ЭЛЛ, и в проекционной ФЛ с зеркальной системой (см. рис. 5, г) в сочета­нии с УФ излучением, чтобы свести к минимуму эффекты дифракции.

В заключение следует подчеркнуть, что шаблоны с субмикрон­ными размерами элементов рисунка необходимо изготавливать только с помощью ЭЛЛ.

СОВМЕСТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ.

 

Создание рисунка с высокой разрешающей способностью в слое резиста с помощью электронно-лучевого экспонирования представ­ляет лишь первый шаг в изготовлении прибора или шаблона. Пос­ле создания рисунка в слое резиста на подложке последующие про­цессы легирования, селективного травления окисла, создания ри­сунка металлизации необходимо выполнять с использованием ме­тодов, сохраняющих высокую разрешающую способность рисунка.

Поэтому для каждого современного технологического процесса дол­жен быть разработан его аналог, обеспечивающий высокую разре­шающую способность, особенно в тех случаях, когда общепринятый процесс характеризуется явно недостаточной разрешающей способ­ностью (например, химическое травление). Так, хорошо отработан­ный процесс плазменного травления позволяет удалять окисел или металл с меньшим растравливанием, чем при жидкостном химиче­ском травлении; разрешение края рисунка может быть таким же, как и слоя резиста. Ионная имплантация позволяет создавать ле­гированные области с меньшим (хотя не обязательно нулевым) бо­ковым уходом размеров по сравнению с диффузией. Обычные про­цессы жидкостного химического травления и диффузии все еще при­меняют для изготовления приборов с большой плотностью разме­щения элементов, однако в основном их используют на этапах соз­дания тех элементов, где не требуется высокая разрешающая спо­собность.

Поэтому технология изготовления микроэлектронных приборов с большой плотностью размещения элементов должна включать последовательные совместимые процессы, обеспечива­ющие высокую разрешающую способность.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

 

Совершенно очевидно, что электронно-лучевая литография не может просто заменить фотолитографию — слишком велика разни­ца в процессах химической обработки, методах переноса рисунка и способах совмещения. Миниатюризация электронных устройств приводит к необходимости изменения всей их структуры. Из ска­занного следует, что внедрение в производство ЭЛЛ приведет к существенным изменениям технологического цикла в целом.

Высокие требования к разрешающей способности усложняют применение ЭЛЛ. Например, существуют тонкие краевые эффек­ты, проявляющиеся в зависимости от метода травления. Их необ­ходимо учитывать при формировании рисунка. Эта задача весьма актуальна при стремлении разработчиков ИС к увеличению от­ношения высоты к ширине топологических элементов. Кроме того, для сохранения процента выхода годных необходимо, чтобы точ­ность совмещения и воспроизведения ширины линий росла про­порционально уменьшению размеров элементов. Даже небольшие флуктуации дозы облучения или небольшие изменения условий проявления резиста могут привести к изменению как профиля эле­ментов топологии, так и ширины линий.

Многие задачи этого круга уже решены. Размещение на кри­сталле тестовых структур позволило оперативно корректировать режим экспонирования, степень пере- или недопроявления, а так­же точность совмещения.

Созданы резисты, совместимые с различными методами пере­носа изображения. Для обеспечения высокой точности совмеще­ния разработаны несколько типов меток совмещения и множество алгоритмов выполнения этой операции. Разработаны также под­робные алгоритмы всего процесса с учетом особенностей и разли­чий отдельных этапов.

В настоящей главе обсуждены некоторые методы электронно­лучевой литографии, описаны способы построения массивов дан­ных о топологии и рассмотрены методы состыковки полей скани­рования при изготовлении ИС с большой площадью кристалла.

Обзор электронных устройств, выполняемых методами ЭЛЛ, иллюстрирует диапазон возможностей этого технологического ме­тода. К этим устройствам относятся биполярные и МДП-транзисторы, приборы на ПАВ, ЦМД, ИС. При их производстве возни­кают проблемы специфического характера, поддающиеся, впрочем, разрешению. Установлено, что облучение электронами влияет на параметры изготавливаемых изделий, однако термическая обра­ботка устраняет этот эффект.

Все сказанное преследовало цель показать возможность приме­нения электронно-лучевой литографии в разных областях произ­водства изделий электронной техники. Исследования готовых при­боров выявили новые закономерности, свойственные устройствам с малыми размерами элементов. Практически все опытные образ­цы приборов, сделанные с помощью ЭЛЛ, имеют преимущество перед обычными по быстродействию и потребляемой мощности. Это обстоятельство содействует росту интереса к ЭЛЛ, подтверждаемому большим числом работ, опубликованных в последние несколько лет.

 

Содержание

ВВЕДЕНИЕ.. 1

Глава 1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ.. 4

1.1 ФОРМИРОВАНИЕ РИСУНКА ЭЛЕКТРОННЫМ ЛУЧОМ. 4

1.2 МЕТОДЫ РЕПРОДУЦИРОВАНИЯ. 10

1.3. СОВМЕСТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ. 12

1.4 ПРЕИМУЩЕСТВА ЛИТОГРАФИИ С ВЫСОКОЙ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ. 13

Глава 2. ТИПЫ ПРИБОРОВ, НАИБОЛЕЕ ПОДХОДЯЩИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ. 14

2.1 ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ОТ РАЗМЕРОВ ЭЛЕМЕНТОВ. 16

Глава 3. ОГРАНИЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ЛИТОГРАФИИ. 20

3.1 ОГРАНИЧЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С РЕЗИСТОМ. 21

3.2 НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ ТЕХНОЛОГИИ. 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 30

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В последние два десятилетия происходило исключительно быст­рое развитие технологии и областей применения микроэлектроники. Микроэлектроника достигла уровня, в настоящее время определя­ющего практически все аспекты гражданской и военной электрон­ной аппаратуры. Микроэлектроника **, в частности интегральные схемы, уже вызвала глубокие изменения в самых различных облас­тях техники — ЭВМ, управляющих систем в промышленности, элек­троники военного применения, наручных часов, автомобилей и фо­тоаппаратов. Существенно уменьшены, особенно в последние годы, размеры микроэлектронных приборов, улучшены их характеристи­ки: например, схемы на транзисторах могут работать с рабочей частотой свыше 1 ГГц, хотя еще сравнительно недавно ставилась -задача достичь частоты 10 МГц.

Несмотря на столь быструю эволюцию, во многих областях тре­буются еще более высокие параметры (в частности, меньшая по­требляемая мощность и большее быстродействие) и большая функ­циональная плотность компонентов; во всех случаях необходимы более высокая надежность и меньшая стоимость. Чтобы удовлетво­рить эти требования, в микроэлектронной промышленности вынуж­дены внедрять новейшие методы обработки, изготовления и управ­ления (контроля) технологическими процессами. Одним из наибо­лее перспективных способов достижения этих целей является умень­шение размеров приборов — создание ИС с повышенной функци­ональной плотностью компонентов. Такие ИС позволяют увеличить рабочую частоту и снизить потребляемую мощность. Повышение выхода годных структур, связанное с уменьшением размеров кристаллов (при сохранении большого числа выполняемых функций), приводит к снижению стоимости и предположительно к повышению надежности.

 

Таким образом, увеличение функциональной плотно­сти является и целью, и стимулом развития технологии. Современный процесс оптической ФЛ может быть назван кра­еугольным камнем технологии изготовления ИС. Однако в ряду основных технологических процессов изготовления ИС фотолито­графия характеризуется наименьшим выходом годных. Помимо это­го, ФЛ как метод формирования рисунка не может обеспечить тре­буемых параметров и функциональной плотности компонентов в разработке новейших микроэлектронных приборов. Поэтому необ­ходим новый, отличный от ФЛ процесс формирования рисунка, ко­торому в свою очередь требуются новые дополняющие технологиче­ские процессы. Для достижения желаемых параметров, стоимости и надежности необходимы также сложнейшие методы технологиче­ского контроля в сочетании с автоматизацией процессов изготовле­ния и управления ими с помощью процессоров.

Большими возможностями для решения перечисленных задач обладают разные виды излучений с большой энергией, в частности электронное, ионное и лазерное [7, 9—11, 62]. Так, ионные пучки можно применять для внедрения атомов примеси в полупроводник в дополнение к диффузии или взамен нее. С помощью электронного луча можно формировать рисунок в слое резиста. В настоящее вре­мя для этого применяют фотолитографию. С помощью лазерного и электронного лучей можно проводить отжиг дефектов кристалличе­ской структуры пластин с лучшими результатами, чем в высокотем­пературных печах. Преимуществом использования в технологиче­ских процессах и для исследовательских целей пучков (особенно пучков заряженных частиц) является их способность производить то же действие, какое обеспечивают традиционные методы, но ка­чественно иным путем.

Поэтому можно ожидать существенных из­менений получаемых результатов, и эти ожидания оправдываются на практике.

Например, лазерные лучи и ионные пучки успешно применяются для подгонки номиналов пленочных резисторов и ионного легирования соответственно.

Электронный луч можно при­менять для создания рисунков с меньшими размерами и лучшей разрешающей способностью по сравнению с самым совершенным фотолитографическим процессом. Есть основания считать, что до­статочно скоро удастся ослабить действие факторов, ухудшающих выход годных структур, снизить плотность дефектов в структуре и создать электронно-лучевые установки (ЭЛУ) для экономически эффективного производства приборов. Технология ЭЛЛ выходит из стен лаборатории и внедряется в производство, она дает начало новому поколению литографических процессов и высокоэффектив­ных средств для изготовления микроэлектронных приборов.

Цель этой книги — описать технологические процессы и обору­дование для литографии с высокой разрешающей способностью, используемые при изготовлении микроэлектронных приборов, а также определить ее место в общем технологическом цикле.

 

 

Глава 1. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ