Формирование рисунка электронным лучом.

 

Применение ЭЛЛ позволяет решить технические (например, повышение разрешающей способности) и экономические (рост вы­хода годных структур, снижение затрат на изготовление шаблонов) проблемы, сдерживающие прогресс в микроэлектронике. Такие возможности ЭЛЛ обусловлены тем, что она принципиально отли­чается от ФЛ — свободна от тех ограничений, которые действуют в случае использования оптических методов. Конечно, существуют определенные фундаментальные ограничения и для ЭЛЛ, но пре­делы разрешающей способности этого метода таковы, что можно по меньшей мере на порядок величины уменьшить минимальную ширину линий.

Применение электронно-лучевой литографии для изготовления микроэлектронных приборов сводится к созданию маскирующего рельефа резиста на подложке — кремниевой пластине или заготов­ке шаблона. Этот процесс схематически показан на рис. 1. В ос­нове метода лежит использование остросфокусированного ЭЛ, дви­жением которого по поверхности подложки, включением и выклю­чением (затемнением) управляет процессор. Под действием ЭЛ происходит экспонирование резиста (электроны либо разрушают, либо сшивают молекулы) и таким образом его свойства локально изменяются, в результате чего в процессе проявления селективно удаляется либо экспонированная (позитивный резист), либо не­экспонированная часть (негативный резист), как показано на рис. 1. 6.

Сформированный из резиста рельеф, или топологиче­ский рисунок, и является пригодной для различных технологических процессов маской. Например, для образования узких металли­ческих линий резист экспонируют электронным лучом и проявляют. После напыления металла резист растворяют и вместе с ним уда­ляют излишки металла, оставляя на подложке металлическую ли­нию требуемой ширины (см. рис. 1.).

Окна в пленке резиста могут быть использованы для травления подложки ионным пучком или в плазме, а также для селективного ионного внедрения примеси в. подложку.

 

 

Процесс создания металлических линий с помощью по­зитивного или негативного резиста более детально показан на рис. 2. В случае негативного резиста оставшаяся часть пленки ре­зиста защищает нужные участки пленки металла от стравливания. Электронный луч позволяет экспонировать резист на площади 1— 40 мм². Большие поверхности можно экспонировать с той же разре­шающей способностью, прецизионно перемещая подложку на за­данное расстояние и повторяя экспонирование для образования того же рисунка на новом участке. На рис. 2.6 показано экспониро­вание линии за один проход луча. Такой метод возможен, но он требует изменения размеров или формы луча в зависимости от нужной ширины линии. Более типичный метод экспонирования предусматривает несколько проходов (3—5) остросфокусированным ЭЛ, экспонирующим линию шириной 0,5—1 мкм. Этот вариант обеспечивает также лучшее качество края рисунка.

Описанный процесс создания рисунка в резисте с высокой раз­решающей способностью является основным в электронно-лучевой технологии. Он может применяться в двух наиболее общих облас­тях: при изготовлении шаблонов и непосредственно полупроводнико­вых приборов или ИС.

Структурная схема на рис. 3 иллюстрирует многообразие путей использования электронно-лучевых систем в разработках, производстве и исследованиях. Методы исследования с помощью электронного луча совершенно необходимы для электронолитографии. Только растровый электронный микроскоп (в сочетании со средствами химического микроанализа) позволяет полно оценить качество структур приборов, изготовленных по элек­тронно-лучевой технологии [68, 69].

 

Электронно-лучевое экспони­рование резиста на подложке при формировании структур прибо­ров необходимо в процессе разработки, когда важны гибкость и возможность быстрого изменения топологии, и в производстве спе­циальных приборов с наиболее высокими параметрами (СВЧ по­лупроводниковые приборы), где требуется очень высокая разреша­ющая способность. Электронолитография может с успехом приме­няться в мелко- и среднесерийном производстве приборов и ИС. С увеличением производительности ЭЛУ процесс прямого экспони­рования резиста на полупроводниковой подложке найдет примене­ние также и в массовом производстве БИС с субмикронными раз­мерами элементов.

Изготовление эталонных шаблонов для фотолитографии (мас­штаб 1: 1) с помощью электронного луча имеет то. Преимущество, что обеспечивает короткий рабочий цикл и более высокое качество шаблонов.

Итак, видно, что электронно-лучевое формиро­вание рисунка является фунда­ментальным процессом для всех методов литографии с вы­сокой разрешающей способно­стью. При создании сложных рисунков ИС электронно-луче­вая установка может управ­ляться от ЭВМ с использова­нием программ машинного про­ектирования.

На рис. 4 показаны воз­можности электронолитографии по сравнению с фотолито­графией по разрешающей спо­собности. Например, на обыч­ную микросхему с линиями ме­таллизации шириной 5 мкм, созданными ФЛ, нанесен ре­зист и с помощью обратной ЭЛЛ (экспонирование, осаж­дение золота и удаление рези­ста с излишками металла на нем) на микросхеме сформиро­ван ряд поперечных линий шириной 0,2 мкм. Сравнить качество края, обеспечиваемое обратной ЭЛЛ и обычной ФЛ, дает возмож­ность рис. 4,6; эти же фотографии иллюстрируют еще одно важ­ное (но не сразу осознаваемое) свойство ЭЛЛ — большую глубину резкости электронного луча, позволяющую создавать рисунок по­верх линий металлизации толщиной 1 мкм.

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.