Диплом_9282 / 2023ВКР928224Зикратова

тография по способу проведения подразделяется на контактную, с зазором

(практически не применяются из-за быстрой изнашиваемости ФШ, малой масштабности переноса изображения) и проекционную. Подробнее остано-

вимся на проекционной фотолитографии, поскольку в настоящее время этот способ полномасштабно применяется на производствах микроэлектроники по всему миру.

При проекционном способе формирования изображения (рисунок 1.2)

излучение из источника (2) собирается рефлектором (1) и выравнивается по интенсивности, проходя через конденсорную линзу (3), а затем засвечивает ФШ (4), состоящий из пропускаемых и поглощающих участков, тем самым формируя изображение, которое проецируется при помощи объектива (5) на пластине (6) с ф/р пленкой.

1

2

3

4

5

6

Рисунок 1.2 – Формирование изображения при проекционном способе проведения фотолитографии

Разрешение проекционной системы может быть оценено по приблизи-

тельной формуле Рэлея (1.1):

11

где NA – числовая апертура, определяемая максимальным углом захвата ди-

фракционной картины объективом; λ – длина волны излучения, k – коэффи-

циент пропорциональности. Минимальный размер отображаемого элемента схемы определяется не только проекционной системой установки для лито-

графии, но и от компонентных составов резистов.

Для обычной фотолитографии длины волн, соответствующие наиболее интенсивным пикам в спектре излучения ртутной лампы g–, h– и i–линии

(рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Спектр распространенного источника излучения – ртутной дуговой лампы высокого вакуума

1.1.2 Другие виды литографии

Опираясь на приближенную формулу Рэлея (1.1), согласно которой разрешение, а вместе с тем и размер минимального элемента схемы, полу-

чаемое на установке, может быть улучшено благодаря снижению длины вол-

ны излучения и расширению апертуры объектива велись постоянные усо-

вершенствования литографических установок и материалов к ним. Таким об-

разом, литография развилась от обычной фотолитографии (см. пункт 1.1.1),

минуя DUV–литографию (на лазерах при λ = 248–157 нм) до EUV–

литографии (λ = 13,5 нм).

Отличие EUV–литографии от DUV–литографии [1]:

вместо преломляющей оптики используется оптика из множества на-

кладываемых друг на друга слоев; импульсный источник излучения на осно-

12

ве плазмы вместо лазера; вакуумная среда, вместо атмосферного давления,

чтобы избежать рассеяния коротковолнового излучения (λ = 13,5 нм) на мо-

лекулах газов.

1.2 Виды фоторезистивных материалов

Глобально ФР подразделяются по способности изменять свои свойства,

связанные с растворимостью при поглощении энергии – на фоторезисты по-

ложительного тона, которые повышают свою относительную растворимость и на фоторезисты негативного тона, которые снижают свою относительную растворимость.

1.2.1 Основные механизмы протекания химических реакций в фоторезистах

Реакции, протекающие в фоторезистивной плёнке при поглощении энергии, вне зависимости от типа ФР (обычные или ФР с усилением), осно-

ваны на принципе изменения растворимости и обычно, протекающие по сле-

дующим механизмам:

1) Фоторасщепление – молекула поглощает квант энергии, переходит в возбуждённое состояние, затем расщепляется с образованием либо радикалов

(уравнение 1.2) либо ионов, эти активные частицы вступают в реакцию с по-

лимерным компонентом и образуют растворимое или нерастворимое соеди-

нение (в случае сшивки или полимеризации):

где A-R – молекула фотоинициатора, •R – радикал, nM – мономеры, а RMn• –

объединяющиеся между собой части

2) Фотосенсибилизация – светочувствительная молекула переходит в возбужденное состояние и в результате обменного взаимодействия передает энергию другой молекуле, которая не может поглотить первичный квант конкретной энергии – такой механизм используется в ФР для расширения

13

спектра поглощения или повышения чувствительности к какой-либо длине волны (уравнение 1.3) [2]:

где B и C – молекулы нереагирующие между собой и непоглощающие квант энергии, A – молекула-сенсибилизатор, BC – растворимое/нерастворимое в проявителе соединение.

1.3 Физико-химические свойства и параметры фоторезистивных составов

Параметры (разрешающая способность, светочувствительность) и

свойства (вязкость, химическая стойкость) фоторезистивных материалов обусловлены химическим строением компонентов, их взаимодействием меж-

ду собой, массовым процентным составом.

1.3.1 Чувствительность фоторезистивных составов к излучению и экспозиционная доза

Фоторезисты действуют, как уже ранее было сказано, по принципу из-

менения растворимости при поглощении энергии излучения с активацией каскада фотохимических реакций. Квантовый выход характеризует долю мо-

лекул, поглотивших энергию данной длины волны и вместе с тем вступив-

ших в фотохимическую реакцию [3], а светочувствительность состава можно охарактеризовать как долю энергии конкретной длины волны, которая была поглощена теми самыми молекулами и активировала протекание нужной

фотохимической реакции – спектральная светочувствительность. По форму-

ле (1.4) обычно выражается интегральная величина, потому что идеально мо-

нохроматичного излучения нет, даже для лазерных установок:

где H – экспозиционная доза (интегральная величина), Дж/м2; E – плотность энергии, передаваемой в единицу времени по всем длинам волн, Дж/(м2 с); t –

время экспонирования, cекунды.

14

Экспозиционной дозой называют энергию, необходимую для актива-

ции и протекания фотохимических реакций с образованием растворимых

(для ФР положительного тона) и малорастворимых (для ФР негативного то-

на) в проявителе соединений по всей, заданной, толщине ф/р плёнки; опреде-

ляется экспериментально под конкретные нужды на установках фотолито-

графии.

1.3.2 Параметры Дилла

Коэффициенты (A, B) описывают поглощающие характеристики фото-

резистивного состава. Чтобы лучше понимать происхождение коэффициен-

тов Дилла ознакомимся с законом Бера, который линейно выражает зависи-

мость поглощающего коэффициента по формуле (1.5):

α = a K, (1.5)

где K – концентрация поглощающих энергию молекул, a – величина, связан-

ная с вероятностью захвата фотона молекулой.

Используем модель разбавленных растворов (её применение не совсем верно по отношению к ФР, так как сам ФР – вязкая жидкость, где молекулы активно взаимодействуют между собой и влияют на поглощающую способ-

ность друг друга) и представим поглощающий коэффициент ФР по формуле

(1.6) [4]:

где Р, П, С, ПР – концентрации растворителя, полимерного компонента, сен-

сибилизатора и продукта, образующегося при поглощении энергии сенсиби-

лизатором (С ПР), соответственно.

Во время экспонирования сенсибилизатор поглощает энергию с обра-

зованием продукта (ПР) и его концентрация снижается, а значит концентра-

15

где С0, С – изначальная концентрация и концентрация на данный момент времени сенсибилизатора в составе, а ПР – концентрация образующего про-

дукта

Формулу (1.8) можно преобразовать и выделить коэффициенты Дилла:

где c = , A = (aС – aПР) С0, B = aПР С0 + aП П + aР Р.

Образование продуктов реакции при экспонировании приводит к сни-

жению и повышению концентраций сенсибилизатора и продуктов соответст-

венно. Чем меньше молекул, тем ниже вероятность захвата ними фотонов. Из выше написанного можно посмотреть на физический смысл этих коэффици-

ентов:

Коэффициент A – это поглощающая способность еще не засвеченного ФР, а B – это способность к поглощению уже проэкспонированными участ-

ками ФР.

Часто в спецификациях к ФР размещают графики зависимостей коэф-

фициентов A, B (рисунок 1.4), на которых можно увидеть возрастание коэф-

фициента B при движении в область коротких волн. Это значит что, попа-

дающее излучение послойно поглощается уже экспонированными участками ФР и скорее всего не сможет проникнуть в более глубокие слои, где химиче-

ское преобразование не прошло. На этом основании можно предположить,

что обычные ФР (по крайней мере позитивные ФР) для проведения коротко-

волновой фотолитографии не годны – нужны новые материалы.

16

A

B

Рисунок 1.4 – Экспериментальные зависимости параметров Дилла, для ФР S1800 G2 (на основе НХД)

Эти коэффициенты (A, B) устанавливаются экспериментально [4]: че-

рез покрытую прозрачным материалом плёнку из ФР пропускают излучение для каждой длины волны из интересующего диапазона и снимают временные зависимости интенсивности пропускания, то есть при tэксп → 0 вычислили A,

апри tэксп → ∞ рассчитали B.

1.3.3Способность к отображению элементов фиксированных раз-

меров

Способность к отображению элементов основывается на двух состав-

ляющих – возможности самой установки литографии (формула (1.1)) и свой-

ствах резиста (размеров молекул, принимаемых ими пространственных кон-

фигураций).

При изготовлении ИМС, а для СБИС тем более важна как ширина са-

мих линий, так и пространства между ними для компоновки элементов на подложке без смыканий, поэтому разрешение оценивают по способности к отображению линий одинаковой ширины (b), разделённых точно такими же по ширине пустыми промежутками (рисунок 1.5, а).

а

17

b

а) б)

Рисунок 1.5 – К определению разрешающей способности ФР: а) – тестовые структуры; б) – серии тестовых структур, освещаемые разными экспо-

зиционными дозами

Для определения минимального размера элемента выполняют фотоли-

тографию для тестовых структур разных размеров и смотрят на качество и чёткость их отображения – без схлопываний, с гладкими стенками. Разреше-

ние может быть снижено при недостаточной экспозиционной дозе, поэтому сначала подбирают её – засвечивают тестовые структуры при разных дозах и оценивают границу элемента на слоистость (рисунок 3.2, б), затем уже раз-

решающую способность.

1.3.4 Адгезия плёнок ФР к технологическим слоям

Главное требование к фоторезистивной маске – это сохранить с мини-

мальными искажениями (предусмотренными допусками) топологию рисунка,

в течение времени использования. Защитные свойства маски отчасти опреде-

ляются характером взаимодействия её компонентов с поверхностью под-

ложки или технологическим слоем и оцениваются по смачиваемости.

Смачиваемость характеризуют углом между жидкой (в данном случае рассмотрим для ФР) и газовой фазами на границе с твердой фазой (рисунок

1.6, а), тогда [2]:

1)θ → 0o – поверхность смачивается ФР (предпочтительно)

2)θ → 180о – поверхность не смачивается ФР и он отслаивается, рас-

травливается.

18

Растворы травителей и проявителей – это водные растворы, поэтому нужно, чтобы обрабатываемая поверхность не смачивалась водой, то есть яв-

лялась гидрофобной. Этого можно добиться, покрыв поверхностный слой реагентом (ПАВ), который имеет в своем составе связующие функциональ-

ные группы. Таким веществом является, например, гидроксиметилдисилозан

(ГМДС).

а) б)

Рисунок 1.6 – Адгезия ФР к поверхности: а) – критерий смачиваемости; б) – пример возможной недостаточной адгезии ФР

В случае низкой смачиваемости ФР может произойти подтек травиль-

ного раствора по поверхностной границе ФР с технологическим слоем, когда химические связи между ФР и пластиной слабы (пластина обладает гидро-

фильными свойствами), отслоить ФР и растворить по периметру материал и исказить форму, как это произошло на рисунке 1.6 (б). В результате могут быть не соблюдены формы, размеры и нарушена согласованность областей легирования, смещены отдельные элементы технологических слоев относи-

тельно друг друга; это все влечёт получение неработающих или малонадеж-

ных ИМС, приборов.

1.3.5 Химическая стойкость фоторезистивных масок к травильным растворам и проявителям

Если адгезия ФР косвенно зависит от состава и её можно запросто по-

высить (пункт 1.3.4), то стойкость к химическим реагентам напрямую связа-

на со структурой полимера ФР.

19

На производствах при изготовлении полупроводниковых приборов на пластинах появляется необходимость удаления локальных участков техноло-

гических слоёв для формирования контактных окон, областей с n–, p–типами проводимости, задания рельефа. Точность передачи размеров компонентов схемы, областей легирования во многом зависит от химической стойкости фоторезистивной маски к агрессивным компонентам травильных растворов и проявителям.

Рисунок 1.7 – Стравливание ф/р маски

Скорость стравливания кромки ф/р маски зависит от площади сопри-

косновения её с реагентом – чем она выше, тем интенсивнее стравливается край маски, соответственно эту величину можно оценить по формуле (1.9) [4]:

где RH и RV – скорости растворения по горизонтали и вертикали, а θ – угол выступа кромки ф/р маски.

Невертикальная кромка является уязвимостью, потому как выступает в толщу раствора, где концентрация травильного агента выше, чем у верти-

кальной поверхности, потому что не растрачивается. Выступающий клин также влияет на передаваемый размер легированной области, при ионной имплантации: у края, в силу своей толщины, выше вероятность прохождения иона в технологический слой.

На практике после проведения ЖТ и ПХТ смотрят на боковой подтрав,

измеряя размеры вытравленного элемента и изначальные размеры, и по соот-

ношению этих параметров судят о защитных свойствах ф/р маски.

20