Лекция № 16

§2. Методы получения микронных и субмикронных размеров элементов интегральных микросхем

Ранее указывалось, что на качество рисунка элементов интегральных микросхем влияют практически все операции технологического процесса фотолитографии. Это также относится и к разрешающей способности процесса. Однако если ограничения разрешающей способности со стороны большинства операций носят технический характер, т.е. связаны с современным уровнем отработки тех или иных операций, то ограничения, обусловленные фотоэкспонированием, имеют принципиальный характер. К искажению размеров и геометрии элементов интегральных схем приводят следующие эффекты: аберрации оптических систем (сферическая, хроматическая, кома, астигматизм, дисторсия), дифракция световых лучей при прохождении через фотошаблон, дисперсия света в пленке фоторезиста.

Теоретический анализ влияния этих эффектов на разрешающую способность процесса фотолитографии дает следующие результаты:

1) при нулевом зазоре между фотошаблоном и пленкой фоторезиста и толщине пленки фоторезиста 0,2 мкм контактный метод экспонирования позволяет получить размеры элементов, соизмеримые с длиной полны света (0,3-0,4 мкм), которым производится экспонирование; 2) при реальных зазорах, составляющих ~ 1 мкм, контактное экспонирование с использованием УФ-излучения с  = 0,3-0,4 мкм обеспечивает получение элементов с минимальным размером 1,5-2,0 мкм; и отклонением от заданного размера, равным или меньшим 0,2 мкм; 3) переход на более короткие длины волн обеспечивает повышение разрешающей способности процесса фотолитографии.

Таким образом, хотя теоретический предел контактной фотолитографии составляет 0,3 мкм, а при меньших длинах волн может быть и еще меньше, при изготовлении интегральных схем такой предел оказывается недостижимым. Поэтому разработка БИС и СБИС с числом элементов 10⁵ -10⁶ в одной микросхеме и минимальными размерами элементов порядка микрона и долей микрона обусловлена появлением новых методов получения конфигураций элементов микронных и субмикронных размеров.

2.1. Рентгенолитография

При изготовлении обычными методами «световой» фотолитографии элементов субмикронных размеров начинают сказываться физические ограничения оптических средств фотолитографии, связанные с длиной волны применяемого ультрафиолетового света, и в первую очередь дифракция.

Дифракционное рассеяние уменьшается с уменьшением длины волны, поэтому делаются попытки перейти на более короткие волны, в том числе на рентгеновский диапазон, при котором наличие зазора практически не влияет на разрешение. Поскольку экспонирование производят рентгеновскими лучами, этот метод называют рентгенолитографией (или рентгенохемографией).

Достоинства рентгенолитографии, такие как высокая разрешающая способность (0,1 мкм), большая глубина резкости изображения (до 10 мкм), делают ее одним из перспективных методов получения изображения субмикронных размеров.

Одна из схем рентгенолитографии показана на Рис. 1.

Рис. 1. Схема установки для рентгенолитографии с использованием острофокусной рентгеновской трубки с вращающимся анодом: 1 — пластина; 2 — маска; 3 — оптическое устройство; 4 — мишень; 5 — электронная пушка; 6 —шаблон; 7 — резист.

Пластину, на которой создают изображение, покрывают слоем чувствительного к рентгеновскому излучению материала. В качестве фотошаблона используют подложку из кремния, на которой выполнена заданная конфигурация элементов микросхемы из тонкой пленки золота, сильно поглощающей рентгеновские лучи. Фотошаблон устанавливают над пластиной с зазором S. Рентгеновское излучение получают с помощью фокусировки до диаметра 1 мм электронного пучка на мишени (вращающийся анод). Плотность тока в пучке не более 20 А/см², чтобы не допускать перегрева и испарения мишени (анода). В качестве анода рентгеновской трубки используется молибден ( = 0,07 нм), алюминий (~-=0,83 нм), медь (=0,153 нм) и проводят экспонирование расходящимся от анода рентгеновским излучением. Некоторая протяженность источника рентгеновских лучей приводит к размытию изображения на краю щели фотошаблона:

,

где d — диаметр источника излучения;

В — расстояние от источника до фотошаблона.

Такая схема экспонирования аналогична фотолитографии с зазором между фотошаблоном и пластиной, однако практическое отсутствие дифракции при очень малых длинах волн рентгеновских лучей позволяет получать минимальный размер элемента L=0,25 мкм при S=60 мкм. Наличие зазора является необходимым ввиду малой механической прочности применяемой маски.