Нанообъекты занимают промежуточное состояние между атомно-молекулярным и конденсированным непрерывным (континуальным) состоянием вещества, к которому относятся объекты микро- и макромира




страница1/4
Дата16.06.2016
Размер0.54 Mb.
  1   2   3   4
Следует подчеркнуть, что нанообъекты занимают промежуточное состояние между атомно-молекулярным и конденсированным непрерывным (континуальным) состоянием вещества, к которому относятся объекты микро- и макромира.

Нанообъекты могут формироваться из более крупных непрерывных объектов макро- или микроскопического уровня вещества путем их диспергирования (измельчения, рассеяния) (диспергационными методами нанотехнологий) или подходом «сверху вниз» (top-down) и из более мелких дискретных объектов (молекул, атомов и ионов) атомно-молекулярного уровня вещества путем их конденсации (объединения, уплотнения) (конденсационными методами нанотехнологий) или подходом «снизу вверх» (bottom up). Следует отметить, что нанообъекты, полученные конденсационными методами более термодинамически и химически устойчивы, чем нанообъекты, полученные диспергационными методами.

Соответственно наносистемы (наноструктурированные вещества, материалы и среды) также могут формироваться из нанообъектов диспергационными и конденсационными методами.

Применительно к микроэлектронному производству диспергационные методы основаны на стратегическом подходе «сверху вниз» (top-down), т.е. осуществляется локальное удаление ненужных областей функциональных слоев (ФС) путем их травления. При таком подходе точность воспроизведения размеров элементов структур (разрешение, локальность травления) в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью резистивных масок, сформированных в процессах литографии с использованием радиационного воздействия .

А точность воспроизведения размеров структур в вертикальной плоскости обеспечивается точностью воспроизведения и контроля:

- толщин функциональных слоев в процессах осаждения, нанесения, окисления, модификации и полировки на планарных и рельефных поверхностях;

- глубин и профилей в процессах травления;



  • глубин и профилей распределения легирующих примесей в процессах ионной имплантации и термического отжига.

В настоящее время промышленная реализация уровня технологии (УТ) ИМС осуществляется помощью процессов и оборудования радиационной литографии начинается с получения требуемых топологических норм (минимальных размеров элементов) в полимерных маскирующих слоях (в резистивных масках), нанесенных на функциональные слои (ФС) пластины (подложки). При производстве ИМС необходимо обеспечивать точность совмещения топологии различных ФС на пластинах не хуже (20 - 40)% от значения минимального размера элемента топологии.

Перенос созданных топологических рисунков на поверхность подложки или в функциональные слои, расположенные на поверхности подложки, осуществляется с помощью процессов травления, а в объем материала подложки с помощью процессов ионной имплантации с последующим удалением резистивной маски.

В качестве радиационного воздействия могут быть использованы фотоны различных энергий, рентгеновские лучи и потоки электронов и ионов (см. рис. 2). В зависимости от вида радиационного воздействия литография и ее основные элементы шаблоны или маски называются фото-, рентгено-, электроно- и ионо- соответственно литографией, шаблонами и масками.

В 2000 году мировой консорциум производителей микросхем International SEMATECH Inc. принял решение, что индустрии необходимо два метода литографии: один высоко производительный для массового производства кристаллов схем памяти и микропроцессоров, а другой менее производительный для малых объемов заказных и специализированных ИМС.

Заводы с массовым производством ИМС для обеспечения требуемой рентабельности требуют от процессов литографии обеспечения максимальной производительности (60 - 120) пластин в час, тогда как минифабрики обычно работают со средней производительностью процессов в (20 - 25) пластин/час.

Для обеспечения промышленной производительности процессов литографии необходимо использовать шаблоны для проекционного (параллельного) экспонирования резистивных слоев.

Для лучевых и проекционных литографий с использованием резистивных масок разрешение R определяется минимальным размером элемента или зазора в регулярных плотно упакованных структурах Lmin = 1/2 min pitch, воспроизводимо и стабильно получаемым в резистивных масках.

Лучевые (последовательные) литографии, при которых резистивные слои экспонируются путем программируемо последовательного перемещения (сканирования) по их поверхности сфокусированных пучков (лучей) света, рентгеновского излучения, электронов и ионов, имеют очень низкую производительность (от десятков минут до нескольких часов на одну пластину). Лучевые литографии применяются для изготовления комплектов шаблонов, масок и опытных образцов приборов и микросхем.

Для лучевых литографий минимальный размер Lmin, получаемый в резисте, связан с диаметром луча Db практическим соотношением Lmin = (4 - 5)∙Db.

Системы проекционной литографии характеризуются двумя основными параметрами: минимальным размером Lmin и глубиной фокуса Df, определяемым по следующим формулам:

Lmin = k1(λ/NA), (2.1)

Df = k2[λ/(NA)2], (2.2)

где λ - длина волны экспонирующего излучения; NA = n∙sin(α/2) и α - числовая апертура и апертурный угол выходной проекционной линзы; n - показатель преломления среды между выходной проекционной линзой и слоем фоторезиста (ФР) на пластине; k1 и k2 - характеристические постоянные, отражающие специфику всего литографического процесса.



Глубина фокуса (deep of focus - DOF) Df - это область около фокальной плоскости выходной (последней) проекционной линзы литографической системы, в которой уменьшенное (обычно в 4 или 5 раз) изображение топологического рисунка шаблона еще имеет адекватную (достаточную) для процесса переноса на резистивный слой пластины четкость.

Для электронов, протонов и ионов в качестве длины волны используется длина волны де Бройля, которая определяется по формуле:

λB = h/(2∙m∙e∙U)0,5 (2.3)

где h = 6,626∙10-34Дж∙сек - постоянная Планка; m и e - масса и заряд частицы; U - ускоряющее напряжение в вольтах.

Для электронов длина волны де Бройля в нанометрах определяется как λe ≈ 1,23/(U)0,5, для протонов - как λp ≈ 2,87∙10-2/(U)0,5 и для однозарядовых ионов - как λi ≈ 2,88 ∙10-2 /(M∙U)0,5, где U - ускоряющее напряжение в вольтах; M - молекулярная масса иона в углеродных единицах массы.

Из-за того, что массы ионов значительно больше масс электронов, λi « λe , что позволяет разрабатывать системы проекционной ионной литография (ПИЛ) (ion projection lithography - IPL) с экстремально малой числовой апертурой и большими полями экспонирования. Например, при U=100 кэВ ионы гелия имеют λB=5∙10-5 нм, что при NA=10-5 дает Lmin=2,5 нм и Df=±500 мкм. Но реально из-за эффектов расширения ионных пучков за счет кулоновского взаимодействия зарядов системы ПИЛ обеспечивают разрешение не более 50 нм.

Такое же разрешение обеспечивают системы проекционной электронной литографии (projection electron lithography - PEL).

Теневая рентгеновская литография (ТРЛ) с зазором без уменьшения топологического рисунка рентгеношаблона (1х X - ray) с λ = 1 нм (0,4 - 2,0 нм), разрешение которой определяется: как Lmin = k(λ·d)0,5, где k - характеристическая постоянная процесса в диапазоне от 1 до 2, d - расстояние (зазор) между рентгеношаблоном и пластиной. При d = (20 - 40) мкм, Lmin = (150 - 400) нм.

В качестве источника рентгеновского излучения в системах ТРЛ используются источники на основе: электронных пучков, лазерной плазмы и синхротронного излучения. При использовании высокоинтенсивного и хорошо коллимированного синхротронного рентгеновского излучения разрешение ТРЛ повышается до 40 - 60 нм.

Кроме того в проекционных системах электронной, ионной и рентгеновской литографий одним из ненадежных элементов являются шаблоны, которые представляют собой, либо очень тонкие (толщиной несколько мкм) мембраны, на которые нанесен топологический рисунок из пленки, поглощающей частицы или излучение (абсорбер), либо топологический рисунок сформирован в виде сквозных областей.

Безмасочные проекционные и лучевые радиационные литографические процессы, реализуемые в лабораторных условиях, не получили промышленного внедрения из-за низкой производительности, повреждения поверхностных функциональных слоев и плохой контролируемости бокового профиля осаждаемых и травимых элементов.

В последние годы появились новые лабораторные нелитографические (на основе эффектов самоформирования) и литографические (с использованием воздействия нанозондов и нанопечати) методы получения топологии наноструктур, наноприборов и наносистем. Однако возникновение этих методов, в первую очередь, обусловлено развитием и исследованиями наноразмерного (1 - 100) нм уровня структуры Материи: его физики, химии и биологии.

В нелитографических методах для создания наноразмерного топологического рисунка предпринимаются попытки использовать стратегический подход «снизу вверх» (bottom-up), т.е. осуществить управляемую безотходную самосборку (self-assembly) или самоорганизацию элементов структуры, прибора или системы из атомов, молекул или кластеров.



Самосборка заключается в спонтанной ассоциации как минимум двух или более компонентов, приводящей к образованию или дискретных супермолекул, или протяженных полимолекулярных ансамблей (молекулярные слои, пленки и т.п.). При этом процесс ассоциации происходит за счет межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий.

Самоорганизация - это многокомпонентная межмолекулярная упорядоченная самоассоциация, включающая системы, в которых возможно спонтанное возникновение порядка в пространстве (структурного порядка) и/или во времени (временного (динамического) порядка). Таким образом, самоорганизация включает взаимодействия и интеграцию, обусловливающие коллективное поведение, и является более узким термином, чем самосборка.

Однако все нелитографические методы имеют существенное ограничение, связанное с недостаточной контролируемостью и воспроизводимостью процессов самоформирования по размерам, степени упорядоченности или месту расположения наноструктур на пластине (подложке).

Их главная проблема заключается в невозможности трансляции идеального порядка на большие расстояния. Как правило, размеры идеально упорядоченных областей в указанных технологических процессах не превышают нескольких микрон, в отличие от природных объектов, например снежинок, с дальним порядком симметрии.

Необходимо провести большой комплекс научно-исследовательских работ для реализации возможности интеграции нелитографических методов в современную технологию микро- и наноэлектроники.



Поэтому в настоящее время все нелитографические методы формирования наноструктур имеют исключительно экспериментальный (лабораторный) характер применительно к микро- и наноэлектроники и не пригодны для промышленного использования в производстве ИМС и наноприборов.

Таким образом, литографические методы получения нанотопологии являются стратегическим путем развития технологии микро- и наноэлектроники, а также производства ИМС и наноприборов.

Появившиеся новые литографические методы с воздействием на поверхность обрабатываемого слоя нанозондов сканирующего туннельного и атомно-силового микроскопов, различного типа наноштампов, а также нанопечати с использованием специальных высокоразрешающих принтеров получили соответственно названия зондовой литографии (ЗЛ), наноимпринт литографии (НИЛ) и нанопечатной литографии (НПЛ).

Сканирующий туннельный и атомно-силовой микроскопы (СТМ и АСМ) позволяют не только проводить операции нанолитографии, но и при обеспечении соответствующей окружающей среды дают возможность реализовать комплекс механических и физико-химических обработок для создания любых наноструктур с одновременной визуализацией и контролем этих структур.

Процессы проекционной шаблонной литографии на основе рентгеновских лучей, электронов и ионов не получили промышленного распространения из-за технической сложности реализации, и уже не рассматриваются в международных прогнозах ITRS (ITRS - The International Technology Roadmap for Semiconductors) ассоциацией производителей ИС (Semiconductor Industrial Association - SIA), начиная с 2005 года, как следующее поколение процессов литографии (next generation lithography - NGL).

Процессы безшаблонной сканирующей электроннолучевой литографии (e-beam direct write - EBDW), в которых резистивные слои экспонируются путем программируемого перемещения (сканирования) по их поверхности сфокусированных пучков электронов имеют высокое разрешение, но низкую производительность для экспонирования рабочих пластин с ИНС. Они применяются для изготовления комплектов фотошаблонов для проекционной фотолитографии, комплектов специальных отражающих шаблонов для проекционной ЭУФ литографии и комплектов наноштампов для наноимпринтлитографии (НИЛ) а также опытных образцов наноприборов и наносхем (ИНС).

Процессы безшаблонной сканирующей ионно-лучевой литографии, в которых резистивные слои экспонируются путем программируемого перемещения (сканирования) по их поверхности сфокусированных пучков ионов, не получили широкого распространения, так как по разрешению и быстродействию уступают электроннолучевым процессам, а системы для их реализации более сложны и дорогостоящи в эксплуатации.

Процессы безшаблонной сканирующей лазерной литографии, в которых резистивные слои экспонируются путем сканирования по их поверхности сфокусированных лазерных пучков, в настоящее время имеют недостаточное разрешение для получения элементов субстананометровых размеров, однако широко используются в системах лазерной генерации изображения для получения топологических рисунков на фотошаблонах и непосредственно на больших стеклянных заготовках для экранов (дисплеев).

Ионнолучевые сканирующие безмасочные (без использования резистивных масок) литографические процессы не получили промышленного внедрения при обработке рабочих пластин с ИНС из-за низкой производительности ионного травления, повреждения функциональных слоев и плохой контролируемости бокового профиля травимых элементов. Однако они часто используются для подготовки образцов к исследованию на просвечивающем (трансмиссионном) электронном микроскопе (ТЭМ), для анализа причин брака в кристаллах ИНС.
Лекция 3. Процессные модули (микромаршруты операций) современной оптической
фотолитографии, их технологические характеристики и связи последних с характеристиками получаемых структур СБИС

Для промышленного производства ИМС используются процессы проекционной фотолитографии (ПФЛ), в которых топологический рисунок фотошаблона (ФШ) (photomask) переносится на слой фоточувствительного материала - фоторезиста (ФР), нанесенного на подложку с функциональным слоем (ФС), путем прямого теневого проецирования без уменьшения размеров или путем проецирования через оптическую систему, как с уменьшением размеров, так и без уменьшения размеров элементов топологического рисунка ФШ.

Поэтому ПФЛ (и системы ПФЛ) подразделяется:

- на ПФЛ без уменьшения топологического рисунка ФШ - 1:1 ПФЛ или 1хПФЛ;

- и на ПФЛ с уменьшением топологического рисунка ФШ в N(M) раз (N(M)=2; 4; 5 и 10) - N(M):1 ПФЛ или N(M)хПФЛ.

1хПФЛ при прямом теневом проецировании топологического рисунка ФШ подразделяется:

- на контактную ПФЛ (contact PL), при которой ФШ находится в непосредственном механическом контакте с подложкой, покрытой слоем ФР;

- и на ПФЛ с зазором между ФШ и покрытой слоем ФР подложкой (proximity PL).

Величина зазора (gap) обычно составляет (20 - 40) мкм.

При проецировании топологического рисунка ФШ через оптическую систему ПФЛ подразделяется на:

- сканирующую по всей пластине без уменьшения - 1хПФЛ (1:1 wafer scan PL);

- пошаговую без уменьшения - 1хПФЛ (1:1 step-and-repeat PL);



- пошаговую с уменьшением в N раз - пNхПФЛ (N:1 step-and-repeat PL);

- пошаговую сканирующую с уменьшением в N раз - псNхПФЛ (N:1 step-and-scan PL).

Позитивный ФР - это ФР, экспонируемые области которого становятся растворимыми в проявителе и при проявлении удаляются, в отличие от неэкспонированных областей.

Негативный ФР - это ФР, экспонируемые области которого становятся нерастворимыми в проявителе и при проявлении не удаляются, в отличие от неэкспонированных областей.

Простейший вариант микромаршрута (процессного модуля) ФЛ по функциональному слою (ФС) (формирования топологии ФС) состоит из следующих операций:

1. Подготовка поверхности ФС на подложке (пластине) с помощью обработки в парах гексаметилдисилазана (ГМДС) (hexamethyldisilazane - HMDS), которая делает поверхность ФС гидрофобной, что способствует хорошей адгезии слоя фоторезиста (ФР).

2. Нанесения слоя позитивного ФР на поверхность ФС методами центрифугирования или распыления из раствора с удалением краевых валиков и затеков на обратную сторону пластины (подложки).

3. Сушка слоя ФР (soft bake) для удаления остатков растворителя, которая обычно проводится на термостолике при определенной температуре в течение заданного времени.

4. Контроль равномерности и качества нанесения слоя ФР.

5. Экспонирование слоя ФР через заданный фотошаблон (ФШ) с совмещением получаемого рисунка по меткам с топологией предыдущего функционального слоя.

6. Проявление экспонированных областей позитивного ФР в растворе проявителя.

7. Дубление (сушка после проявления) ФР (hard bake) для удаления остатков проявителя, которое обычно проводиться на термостолике при определенной температуре в течение заданного времени.

8. Визуальный и метрологический контроль топологии, полученной в проявленной ФР маске.

Операции 1-8 представляют вариант микромаршрута формирования ФР маски (ФРМ).

9. Травление (жидкостное, газовое или вакуумно-плазменное) ФС через ФР маску.

10. Удаление (жидкостное, газовое или вакуумно-плазменное) ФР маски.

11. Визуальный и метрологический контроль топологии, полученной в ФС.

Микромаршруты ФЛ по ФС значительно усложняются, если в ФС нужно получить топологию с размерами элементов, близкими к предельному разрешению используемой системы ПФЛ, или топологию в ФС надо создать на рельефной подложке. В этих случаях в микромаршруты формирования ФР маски добавляются планаризирующие антиотражающие покрытия (АОП) (bottom anti-reflective coating - BARC) и отжиг после операции экспонирования (постэкспозиционный отжиг) (post-exposition annealing).

Для всех видов ФЛ разрешение R определяется минимальным размером элемента или зазора в регулярных плотно упакованных структурах Lmin = 1/2 min pitch, воспроизводимо и стабильно получаемым в ФР маске, т.е. R = Lmin.

Для контактной ПФЛ минимальный размер элемента в ФР определяется минимальным размером элемента на ФШ, который в настоящее время составляет (0,18 - 0,13) мкм. Однако ФШ с такими размерами очень дороги и не используются в системах контактной ПФЛ из-за их быстрого загрязнения и повреждения при контакте с подложкой.

Для ПФЛ с зазором δ между ФШ и подложкой минимальный размер элемента в ФР определяется по формуле:



Lmin = kg (λ∙δ)0,5, (3.1)

где kg коэффициент, лежащий в диапазоне от 1,0 до 2,0; λ - длина волны экспонирующего светового излучения. Для δ=10 мкм и λ=0,436 мкм, Lmin=(2 - 4) мкм.

В настоящее время для промышленного производства ИМС используется проекционная через оптическую систему фотолитография (далее оптическая ПФЛ) с уменьшением топологического рисунка ФШ в ФР маске в двух вариантах: пошаговая с уменьшением в N раз - пNхПФЛ (N:1 step-and-repeat PL) и пошаговая сканирующая с уменьшением в N раз - псNхПФЛ (N:1 step-and-scan PL).

Первый вариант реализуется в системах оптической ПФЛ, получивших название степперы (steppers) от английского слова «step», при этом производится пошаговый перенос (мультиплицирование, размножение) топологического рисунка кристалла ИМС с ФШ на покрытую слоем ФР пластину, расположенную на координатном столе.

Второй вариант реализуется в системах оптической литографии, получивших название степпер - сканеры от английского словосочетания «step and scan» или просто сканеры (scanners), в которых при переносе топологического рисунка с ФШ на пластину по одной координате делается шаг и в пределах этого шага происходит сканирование по другой координате вырезанным пучком излучения. Так как сканер проецирует на пластину исходно меньшее поле, чем степпер, то с его помощью можно получить более высокое разрешение.

Для оптической ПФЛ разрешение R, равное минимальному размеру элемента, получаемому в ФР маске, определяется выражением:



R = Lmin = k1(λ/NA), (3.2)

где λ - длина волны экспонирующего излучения; NA = n∙sin(α/2) и α - числовая апертура и апертурный угол выходной проекционной линзы; n - показатель преломления среды между выходной проекционной линзой и слоем ФР на пластине; k1 - характеристическая постоянная, отражающая специфику всего литографического процесса.

Вторым важным параметром оптической ПФЛ является глубина фокуса Df, т.е. расстояние на перпендикуляре к фокальной плоскости выходной (последней) проекционной линзы литографической системы, на котором уменьшенное (обычно в 4 или 5 раз) изображение топологического рисунка фотошаблона (ФШ) еще имеет адекватную (достаточную) для процесса переноса на ФР слой пластины четкость (глубину резкости). Глубина фокуса (deep of focus - DOF) рассчитывается по формуле:

Df = ±k2[λ/(NA)2] (3.3)

В формулах (3.2) и (3.3): λ - длина волны экспонирующего излучения; NA = n∙sin(α/2) и α - числовая апертура и апертурный угол выходной проекционной линзы; n - показатель преломления среды между выходной проекционной линзой и слоем ФР на пластине; k1 и k2 - характеристические постоянные, отражающие специфику всего литографического процесса (рис. 3.7).

Третьим важным параметром является площадь (размер) рабочего поля изображения или литографического поля. Площадь FL вокруг оптической оси в плоскости изображения, в пределах которой сохраняется резкость изображения, зависящая от значения Df, называется рабочим литографическим полем.

Из формул (3.2) и (3.3) легко получить связь между глубиной фокуса и получаемым минимальным размером элемента (разрешением):


  1   2   3   4


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница