Диссертация (Исследование и разработка методов автоматического вывода геометрических ограничений с использованием декларативного программирования и формальных методов), страница 26

photolithography) — метод полученияопределённого рисунка на поверхности материала, широко используемыйв микроэлектронике. Один из основных приёмов планарной технологии,используемой в производстве полупроводниковых приборов. Участки подложки,на которые впоследствии будет нанесен необходимый материал, определяютсянанесением фоторезиста. После экспонирования определенные участкифоторезиста становятся растворимыми и образуют окна, через которые инаносится необходимый материал.Маска создается из кварцевого стекла, покрытого слоем хрома. Слойфоторезиста экспонируется при помощи УФ света. Участки маски, покрытые134хромом, не пропускают свет.

Фоторезист, находящийся под прозрачнымиучастками маски, подвергается экспозиции. При помощи растворителярастворимые неэкспонированные участки фоторезиста смываются, оставляянерастворимые участки. Такой вид фоторезиста называется негативным.Позитивный фоторезист изначально нерастворим, а в процессе экспозициистановится растворимым. Такой вид фоторезиста позволяет наносить шаблонс более высоким разрешением, чем при использовании негативного резиста,однако, он менее чуствителен к освещению.

По мере уменьшения размеровдеталей рисунка, которые необходимо наносить, слои фоторезиста должныстановиться все тоньше. Вместе с тем, однако, фоторезист становиться болеехрупким, что уменьшает выход годных изделий и увеличивает стоимостьизготовления ИС.Одна итерация фотолитографии состоит из нескольких шагов.Современные“чистыекомнаты”опираютсянаиспользованиеавтоматизированных систем, которые управляют процессом обработки подложек.Очистка. Если на поверхности подложки обнаружены органические илинеорганические загрязнения, то как правило их удаляют в ультразвуковойванне с использованием органических растворителей.

Иногда требуется болееосновательная очистка с использованием смеси серной кислоты и пероксидаводорода H2 SO4 + H2 O2 [115].Предобработка. Подложка предварительно высушивается при температуреоколо 150◦ C на протяжении 10 минут. Подложки, которые до этого былина хранении длительное время, дополнительно очищаются.

Для увеличенияадгезии подложку покрывают тонким слоем адгезива, помещая ее в жидкуюили газообразную среду. В качестве адгезива используют, например,гексаметилдисилазан. Дополнительно, поверхностный слой диоксида кремниявступает в реакцию с гексаметилдисилазаном и образует водоотталкивающуюпленку, которая предотвращает возникновение неоднородностей между слоемфоторезиста и подложкой. После этого подложка снова просушивается, теперьуже при температуре 120◦ C [116].Нанесение фоторезиста. Чаще всего подложку круглой форму покрываютфоторезистом при помощи центрифугирования.

Вязкий, жидкий растворфоторезиста покрывает подложку, после чего ее начинают вращать 30-60 секундсо скоростью от 1200 до 4800 оборотов в секунду. В результате образуется135равномерный слой фоторезиста толщиной около 0.5-2.5 микрометра. Какправило, толщина слоя меняется не более чем на 5-10 нанометров. Такаяравномерность обеспечивается тем, что нижние слои фоторезиста более вязкие ицепляются за поверхность подложки, в то время как верхние слои более жидкиеи стекают с края пластины.

При этом различные складки на поверхности резистасглаживаются. Стоит отметить, что при изготовлении компонентов нанометровыхтопологий (менее 120 нанометров) требуется крайне тонкий слой резиста (менее0.5 микрометра). Итоговая толщина резиста во многом определяется такжеиспарением растворителей. Излишки удаляются при помощи повторногозадубливания на протяжении 30-60 секунд при температуре 90 − 100◦ C.Экспонирование. После дубления, фоторезист подвергают засвечиваниючерез маску с использованием света в видимом или ультрафиолетовом диапазоне.Под действием света фоторезист меняет свои химические свойства.

Выделяютдва вида резистов: позитивный и негативный. Первый, чаще используемый напрактике, под действием света становится растворимым в “проявителе”, растворе,который используется для смывания резиста. В случае негативного вариантанаоборот, участки, подвергшиеся действию света становятся нерастворимыми в“проявителе”.Дополнительное дубление используется перед проявлением, чтобыпредотвратить искажения, возникающие под действием интерференциипадающего света. Этот этап сильно зависит от времени нагрева, температуры ивремени, прошедшему после экспозиции, т.к. большая часть реакций, вызванныхсветом, происходят именно на этапе дополнительного дубления. В частности, вэтот момент резист становится растворимым [117].Реакция проявления также проводится в центрифуге, как и нанесениефоторезиста. Первые варианты проявителей часто делались на основе гидрокситанатрия N aOH.

Однако, было установлено, что натрий крайне негативновлияет на параметры МОП транзисторов. В частности, ионы натрия могутизменять пороговое напряжение затвора транзистора, делая его активациюпроще или сложнее, соответственно. Современные проявители делают наоснове тетраметиламмония гидрооксиде, не оказывающем такого влияния нахарактеристики транзистора.После проявления подложка снова задубливается на протяжении 20-30минут при температуре 120 − 180◦ C.

На этом этапе происходит отвердевание136оставшегося фоторезиста для защиты подложки на последующих этапахнанесения примесей и травления.Травление. На этапе травления верхний слой подложки удаляетсяпод действием химических веществ. Различают жидкостное травлениес использованием жидких реагентов и реактивное ионное травление сиспользованием плазмы. В производстве микроэлектроники чаще применяютпоследний способ, т.к. он в меньшей степени вносит искажения в итоговыйшаблон. Это особенно важно в случаях, когда ширина компонентов шаблонастановится сравнимой с толщиной нанесенного материала. Жидкостноетравление изотропно и происходит как в направлении перпендикулярномподложке, так и в горизонтальном, под слой фоторезиста, что делает деталирисунка большего размера, чем требуется.Разработка методов “сухого” реактивного ионного травления, вносящегоминимальные искажения в шаблон, позволило изготавливать СБИС поеще меньшим технологическим нормам с использованием отработанного иобщепризнанного метода фотолитографии.Удаление фоторезиста.

После того, как резист становится не нужным,он должен быть удален с подложки. Как правило, для этого используютжидкий ”растворитель уменьшающий адгезию фоторезиста по отношению кподложке. Другой способ удаления резиста заключается в использовании плазмы,насыщенной кислородом, который используется как окислитель. это процессназывается “озоление” и напоминает процесс травления. Также для удаленияфоторезиста используют растворитель на основе 2-Метил-2-пирролидона (англ.1-Methyl-2- pyrrolidone, NMP). Когда резист окончательно удален, растворительразрушается нагреванием до 80◦ C, не оставляя после себя никаких следов.Фотомаска как правило меньше пластины, на которую будет наноситсярисунок.

Длина одной стороны оставляет около 2 см. Степпер перемещает маскушаг за шагом, поэтапно экспонируя всю пластину. Как правило, используетсяпроективная печать –– линзы, расположенные между максой и подложкой,фокусируют наносимый шаблон на поверхности подложки. Ранее использоваликонтакную печать, когда маска непосредственно касалась подложки, и “близкую”печать, при которой маска размещается рядом с подложкой, но не касается ее.Маска может быть такого же размера, как и размер наносимого шаблона (1х) или137же может быть больше.

Например, в промышленности используют степперы 2.5хи 5х с соответствующими технологиями оптического масштабирования.Ограничения оптической литографииВозможность нанесения четкого изображения на подложку ограничиваетсядлиной волны используемого источника излучения и возможностью системы линзкомпенсировать дифракцию при засветке фотошаблона. Современные системыфотолитографии используют эксимерные лазеры с длиной волны 193 нм, которыепозволяют печатать рисунки с деталями размера около 50 нм.

За последние 20лет эксимерные лазеры оказали большое влияние на непрекращающееся развитиемикроэлектроники, обусловленное законом Мура [118].На размеры наносимого рисунка большое влияние оказывает длина волныиспользуемого излучения. Пусть минимальный шаг затвора (минимальнаяширина затвора + минимальное расстояние между двумя затворами) равно 2b.Разрешающая способность системы линз зависит от длины волны Q источникаизлучения и отчисловой апертуры линз:2b = k1λNAЧисловая апертура при этом равна:N A = n sin α, где n –– коэффициент преломления среды (для воздуха он равен 1, дляводы 1.33, для масла 1.5), F –– апертурный угол. Увеличение F требуетувеличения системы линз. Линзы, использовавшиеся в 70-ых годах,обеспечивали значение апертуры 0.2.

Компания Intel для процесса 45 нмдобилась апертуры 0.92 [119]. В 2008 Компани Nikon и ASML смогли увеличитьапертуру до 1.35 с использованием иммерсионной литографии, учитывающейбольший коэффициент преломления воды [120]. Весь этот прогресс привел кзначительному удорожанию оптических систем, цена которых стала измерятьсямиллионами долларов.

Значение параметра k1 обуславливается когеретностью138излучения, свойствами антибликующих покрытий и использованием технологийповышения разрешаюшей способности. Сегодня значение параметра равное0.8 считается вполне доступным, в то время как значение 0.5 считаетсятруднодостижимым.Глубина фокуса обпределяется по формуле:DOF =k2 λN A2, где k2 принимает значения от 0.5 до 1. Современные литографические скоротковолновым излучением и большой апертурой обеспечивают небольшуюглубину фокуса.