книги / Методы повышения параметров БИС

пользования высококачественных линз с высокой разрешающей способностью, устранение вибраций в конструкции системы с расстоянием от источника до мишени около 2 м. Кроме того, проблемой является деформация маски под действием ионного пучка.

Одним из основных элементов ионолитографических систем с параллельным переносом изображения является шаблон. Шаблон может представлять собой трафарет открытого типа; рельефную полиимидную структуру, тонкие участки которой прозрачны для ионов, а толстые непрозрачны; слоистую структуру типа рентгеношаблона, в которой на прозрачную для ионов мембрану нанесен рисунок из поглощающего материала (обычно золота).

Шаблоны типа открытого трафарета из-за отсутствия мембра­ ны не вызывают ни ослабления падающего пучка ионов, ни поте­ ри его энергии и позволяют получать оптимальную разрешаю­ щую способность и резкий профиль. Однако поскольку для соз­ дания топологии с замкнутым контуром требуется по крайней мере два шаблона, открытые трафареты не получили распростра­ нения.

Мембраной в шаблонах может служить сверхтонкая аморф­ ная пленка или несколько более толстая монокристаллическая пленка, ориентированная таким образом, чтобы обеспечивалось каналирование ионов (рис. 57, 58). Рассеяние ионов в мембране определяет предельные возможности ионолитографии для слу­ чая, когда фотошаблон находится в контакте с пластиной.

В качестве аморфной мембраны, например, применяют плен­ ку из окиси алюминия, натянутую на кольцо из пайрекса. Эта пленка создается путем анодирования алюминиевой фольги и стравливания лишнего материала так, чтобы оставшийся слой имел толщину 70...200 нм. Аморфные мембраны достаточно прозрачны для легких ионов, однако сильно рассеивают их, На рис. 59 представлены кривые углового рассеяния протонов разных энергий мембранами разной толщины. Видно, что угол рассеяния ионов уменьшается при повышении их энергии и уве­ личивается с ростом толщины мембраны [186].

Для уменьшения углового рассеяния ионов, прошедших сквозь мембрану, было разработано два вида шаблонов на осно­ ве монокристаллического кремния. Шаблоны первого вида (см. рис. 57) представляют собой тонкую (около 1 мкм) кремние­ вую пленку, ось каналирования которой совпадает с направле­ нием падающего, пучка, с нанесенным на $i рисунком из погло­ щающего материала (Аи т о л щ и н о й 0,5..Л мкм) [186]. Чем тонь­ ше мембрана, тем меньше угол рассеяния ионов. Например, в кремниевых мембранах в условиях полного каналирования по*

ill

Ионный пучок

Ионный пучок

Рис. 57. Шаблоны проекционной ионно-лучевой литографии:

а - шаблон с каналированием; б - сверхтонкий шаблон (1 - кремниевая мембрана; 2 —слой, поглощающий ионы; 3 —каналированные ионы; 4 - резист; 5 - пластина; 6 - тонкая поддерживающая мембрана)

Рис. 58. Схематическое изображение толстого кремниевого шаблона: 1 - слой Аи; 2 - кремниевая мембрана; 3 - резист; 4 - пластина

Рис. 59. Угловое распределение протонов, рассеянных в мембране: 1 — толщина мембраны Лмемб =

=	100	нм, начальная энергия про­
тонов Е о =			250 кэВ;	2 - Лмемб =
=	200	нм,	£ 'о ==250	к э В ; 3 -

ЛМемб = 200 нм, EQ = 1 5 0 кэВ

луширина углового рассеяния протонов составляет 0,45° и 0,7°- для толщины мембраны 0,7 и 1,4 мкм соответственно. Разориентация пучка относительно оси каналирования приводит к тому, что угловое распределение рассеяния становится несколько асим­ метричным.

Обычно между шаблоном и пластиной имеется зазор, обус­ ловливающий появление дополнительного расширения линий на изображении. Считается, что расширение линии пропорцио­ нально произведению угла рассеяния на величину зазора [188]. Оценки показывают, что дня обеспечения расширения, не превы­ шающего 0,1 мкм, при использовании кремниевой каналирую­ щей маски толщиной 1 мкм допустим зазор 15...25 мкм.

При высокой производительности экспонирования происхо­ дят нагрев и деформация шаблона. Этот недостаток устраняется

112

в более толстых шаблонах, однако последние сильнее рассеивают ионы. Поэтому при выборе толщины мембраны в кремниевых шаблонах рассматриваемого типа возникает противоречие меж­ ду требованием минимального рассеяния ионов в мембране и необходимостью обеспечения достаточной устойчивости к де­ формациям (которая не должна превышать 0,1 мкм/см) [186].

В кремниевых шаблонах второго вида используются доста­ точно толстые (3. ..6 мкм) кремниевые мембраны и тонкие (0,1 мкм) слои металла (см. рис. S8) [171]. В таких шаблонах металлический слой служит для рассеяния ионов коллимирован­ ного пучка по произвольным, не совпадающим с осью каналиро­ вания траекториям. Поскольку при хаотическом движении ионы теряют больше энергии, чем в условиях каналирования, то ве­ роятность выхода таких деканалированных ионов за пределы кремниевой мембраны очень мала. В то же время прошедшие сквозь мембрану каналированные ионы сохраняют достаточно энергии, чтобы проэкспонировать резист.

Ионные источники для сканирующей системы должны харак­ теризоваться высокой яркостью и малым энергетическим разбро­ сом эмиттируемых ионов. В настоящее время в основном приме­ няются источники с полевыми эмиттерами —газовыми и жидко­ металлическими.

В газовых источниках создаются легкие ионы (Н*,.Н*з, Не+), которые, обладая значительной глубиной проникновения в ре­ зист, при экспонировании толстых слоев обеспечивают большое отношение высоты к ширине. Размеры виртуального газофазно­ го ионного пучка могут быть меньше 0,5 нм сугловой плотностью тока 10. ..60 мкА/ср при разбросе по энергиям примерно в 1 эВ [110]. Яркость газофазных источников достигает 10? А/(см* *ср).

Жидкометаллические полевые источники могут генерировать ноны многих металлов, однако для ионолитографии наибольший интерес представляет галлиевый источник, который обеспечивает почти 100 %-нын выход. Галлиевый жидкий ионный источник имеет минимальный энергетический разброс 4,5...6 эВ при раз­ мерах виртуального источника 15 нм. Ожидается, что без замет­ ных потерь тока пучок может быть сфокусирован до 30. ..50 нм [169].

В сканирующих ионолитографических системах разрешающая способность определяется диаметром ионного пучка который подвержен влиянию аберраций оптической системы. В установ­ ках со сканирующим лучом, где основную роль играет хромати­ ческая аберрация, можно уменьшить диаметр пятна при постоян­ ном апертурном угле путем снижения тока источника, посколь­ ку разброс энергии ионов, прошедших линзы, АЕ пропорционаг

‘ 113

лен л Однако этот метод уменьшения диаметра, как и метод уменьшения за счет диафрагмирования (также сопровождающий­ ся уменьшением тока пучка), снижает производительность

процесса экспонирования.	у— »
Пространственный заряд в ионном пучке в у	— раз больше,
	те

чем в электронном (здесь М —масса иона; те —масса электро­ на), поэтому иэ-эа более сильного расталкивания ионов й расши­ рения ионных пучков плотность тока в них при прочих равных условиях меньше, чем в электронном пучке. Следовательно, для сканирующей ионолитографии требуются источники с большей яркостью. Для компенсации пространствешюго заряда в ионный пучок инжектируются электроны.

Производительность литографического процесса зависит от скорости отклонения сканирующего пучка, его диаметра и плот­ ности тока, а также чувствительности резиста.

Оценки возможностей повышения производительности мето­ да за счет использования более чувствительных резистов показа­ ли, что при малых размерах луча, когда на экспонируемую точку попадает всего несколько десятков ионов, вступают в силу огра­ ничения шумового характера и возрастает число дефектных то­ чек при экспонировании [169].

В установках сфокусированным ионным лучом размеры поля сканирования.ограничиваются величиной менее 1 мм3. Для обес­ печения „сшивания” полей и осуществления многоуровневой ли­ тографии на каждом поле наносятся юстировочные знаки. Адре­ сация к последующим полям может быть осуществлена путем перемещения стола, на котором находится пластина; для регули­ ровки положения стола используютсялазерные интерферометры.

Одним из важных достоинств ионной литографии является возможность получения рисунка без применения резиста непос­ редственно на полупроводниковых подложках и изолирующих слоях (Si, GaAs, поликремнйй,8Ю2, SiзИ Д на металлических пленках (Al,Ni, Мо) и органических материалах [188]. Возмож­ ность реализации ионной литографии без резиста связана с тем, что при облучении тонких слоевразличных материалов происхо­ дит изменение их химической активности (наблюдается эффект активации процесса травления в стандартных травителях, обус­ ловленный перестройкой структуры в подвергнутом облучению приповерхностном слое образца).

Исследования возможности создания рельефа без резиста на пленках Si02 показали, что при облучении ионами дейтерия, бо­ ра, фосфора, аргона и азота с энергией 30...100 кэВ (доза 1013...

114

Рис. 60. Зависимость относительного		и,р
увеличения скорости травления облу-		щ~
ценного S i0 2 от дозы протонного об-		т"
лучения.		5
...1016 ионов/см2) скорость хи­
мического	травления Si02 воз­
растает. На рис. 60 показано,
как изменяется относительная
скорость	(селективность) трав-	„	ю	2
ления пленок S i02 в зависимое-		10	10	Циановом

ш от дозы облучения протонами [188]. Как видно, накривой мож­ новыделить участки, соответствующие вначале медленномупотом более быстрому pociy селективности травления при возрастании дозы облучения. Затем темп роста падает и величина селектив­ ности асимптотически приближается к некоторому постоянному значению (5...5,5). Требуемая для достижения „насыщения” се­ лективности травления доза тем меньше, чем больше масса бом­ бардирующей частицы. Например, для Si02 „насыщение” селек­ тивности наступает при дозе 5 • 10м см~2 для ионов аргона и при 2 • 1016 см“2 для протонов.

Предложена следующая модель рассматриваемого процесса [22]. При внедрении ийнов вблизи поверхности пленки в струк­ туре ближнего порядка Si02 возникают вакансии (выбитые ато­ мы), а в более глубоких слоях происходит внедрение в междо­ узлия дополнительных атомов. В результате этих структурных нарушений изменяется силовое поле в ближнем порядке и де­ формируются существующие между атомами связи, что неиз­ бежно влечет за собой изменение скорости травления. Плотность структурных дефектов с увеличением дозы облучения возрас­ тает до тех пор, пока не наступит равновесие между вновь обра­ зующимися и аннигилирующими дефектами в облученном объе­ ме плёнки. При этом наступает ,.насыщение” селективности

Травления-

Различие доз „насыщения” для разных ионов объясняется тем, что при фиксированной начальной энергии более тяжелые ионы создают большее количество структурных дефектов, пос­ кольку средние потери энергии иона на упругие ядерные столк­ новения возрастают с увеличением его массы.

В экспериментах по созданию рельефа на Si02 без резиста при использовании проекционной системы (с уменьшением 10: 1) с протонным пучком разрешающая способность метода оказалась меньше 1 мкм, время экспонирования кристалла пе превышало 1с [188].'

115

Эффект увеличения скорости травления имплантированных гранатов может быть использован для создания схем продвижения магнитных доменов. Глубина травления точно и воспроизво­ димо регулируется энергией и дозой ионов.

К достоинствам ионолнтографии следует отнести также воз­ можность формирования рисунка с различной толщиной слоя Si02>поскольку при термическом окислении экспонированных кремниевых пластин образуется более тонкий слой окисла, чем обычно.

2.6. ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННАЯ МИКРООБРАБОТКА

Одной из основных проблем современной технологии БИС и СБИС является перенос топологического рисунка с контактной маски на рабочую пластину. Традиционные жидкостные методы с изотропным механизмом травления позволяют получать струк­ турные элемент размером несколько микрометров. Поэтому для формирования прецизионных рисунков с субмикронными размерами элементов бьщи разработаны так называемые „сухие” Методы травления, в основе которых лежит использование обра­ зующихся в плазме газовых разрядов низкого давления частиц высокой энергии или. свободных радикалов для удаления по­ верхностных слоев материала. Эти методы обеспечивают более высокую разрешающую способность, лучшее качество края и меньшее подтравливание, позволяют значительно повысить про­ цент выхода годных, сократить число операций и время обработ­ ки пластин. Кроме того, они дешевле и безопаснее жидкостного травления, при котором применяются кислоты и органические растворители.

В зависимости от вида газа, давления и энергии в плазме процесс травления может быть обусловлен как чисто физически­ ми, так и чисто химическими явлениями, либо их сочетанием. Возможно также одновременное действие обоих механизмов.

Выделяют три основных типа вакуумно-плазменных процес­ сов травления: ионные, реактивные, ионные (ионно-химичес­ кие) и плазмо-химические. Классификация и основные парамет­ ры процессов приведены в [165].

Явление физического распыления, происходящее в результате воздействия ионов инертных газов (чаще всего аргона), не всту­ пающих в химическую реакцию с атомами и молекулами мате­ риала, но обладающих достаточной энергией для их выбивания, лежит в основе двух разновидностей метода ионного травле­ ния - ионно-плазменного и ионно-лучевого. В первом случае процесс протекает в плазме, во втором —в вакууме.

116

Рис. 61. Схематическое изображение систем ионно-плазменного травления: а - диодная система ВЧ; б - триодная система на постоянном токе; 1 - спой, который должен быть вытравлен; 2 - катод или мишень; 3 - защитная маска; 4 -подложка; 5 -термокатод; б -а н о д

При взаимодействии ускоренных ионов с твердым телом уда* ление атомов с его поверхности происходит тогда, когда энер­ гия, передаваемая ионом атому во время столкновения, превы­ шает энергию химической связи, а импульс, сообщаемый атому, направлен наружу от поверхности. Существует пороговая энергия падающего иона, необходимая для удаления атома, которая свя­ зана с теплотой сублимации материала и его кристаллографичес­ кой ориентацией и зависит от массы падающего иона. При увели­ чении энергии падающих ионов эффективность распыления быстро растет.

Эффективность удаления материала бомбардирующими ио­ нами зависит от типа обрабатываемого материала, бомбардиру­ ющих атомов и их энергии, угла падения ионов, давления газов.

При ионно-плазменном травлении образец является частью мишени разрядного контура газового разряда, самостоятельно­ го или поддерживаемого с помощью термоэмиссии, высоко­ частотных или магнитных полей (рис. 61). Ионно-плазменное травление на постоянном токе может осуществляться только в случае, когда пленка, которая удаляется, и маскирующее покры­ тие — металлические и на них при бомбардировке не накапли­ вается положительный заряд, препятствующий поступлению оче­ редных порций положительных ионов. Поэтому данный метод имеет ограниченное применение.

Для вытравливания рельефа в диэлектрических пленках ис­ пользуется ионно-плазменное травление, при котором между

И7

мишенью-подложкой и землей прикладывается напряжение ВЧ.

В течение отрицательного полупериода происходит распыление,

ав течение положительного —из плазмы вытягиваются электро­ ны, нейтрализующие накапливаемый положительный заряд. Так

как подвижность электронов больше подвижности ионов, то мишень оказывается под отрицательным потенциалом.

Скорость удаления материала при травлении ВЧ пропорцио­ нальна подводимой мощности и в течение продолжительного времени травления остается постоянной. При повышении темпе­ ратуры пленок скорость травления возрастает.

Достоинством ионно-плазменных процессов является возмож­ ность использования высокой плотности тока при малых энерги­ ях ионов (0,5...20 кэВ). Однако из-за высокого давления в об­ ласти мишени (порядка 10 Па) происходит обратная диффузия распыляемых частиц, а также наблюдается воздействие плаз­ мы на мишень. Низкая скорость протекания (0,1... 1,0 нм/с) и неселектнвность процесса (скорости травления различных материалов близки по величине), возможность возникновения структурных дефектов, межпленочной диффузии и пробоя диэлектрических пленок в обрабатываваемых структурах ограничивают его применение.

Для осуществления ионно-лучевого травления используются коллимированные ионные пучки, формируемые в автономных газоразрядных источниках и направляемые в высоковакуумные рабочие камеры системой фокусирующих линз. Эти камеры снаб­ жены термокатодами, которые эмиттируют электроны, нейтра­ лизующие заряд на мишени и уменьшающие эффект пространст­ венного заряда в ионном пучке. Отделение рабочей камеры от источника спосрбствует уменьшению загрязнения образцов ино­ родными частицами за счет устранения обратной диффузии и рас­ сеяния и снижению вредного радиационного воздействия на об­ разцы. Путем наклона и вращения мишени с образцами можно улучшить равномерность травления и устранить некоторые топо­ графические деф ект, а независимая регулировка угла падения, энергии и тока ионов позволяет контролировать и управлять профилями травления микроструктур. Ионным пучком можно травить любой материал, получать вертикальные или скошенные до 45° стенки. Возможности метода при вытравливании узких линий ограничиваются литографией. Селективность ионно-луче­ вого травления мала (2...5). Ценность метода снижают также факторы, связанные с несовершенством современного оборудо­ вания.

Для реализации метода ионно-лучевого травления необходи­ мы ионные источники, создающие ионные пучки с плотностью

118

токаj = 10 мА/см3 и энергией#- 100...150 эВ (в совремеш!ых пушках J = 1 мА/см2, j? = 1 кэВ), большого диаметра и с нерав­ номерностью по плотности не выше ± 2,5 % [95].

Существенным достоинством физического механизма травле­ ния является высокая анизотропия А процесса (отношение ско­ ростей травления по Нормали и касательной к поверхности ма­ териала), позволяющая получать фигуры травления с резко очер­ ченными краями, вертикальными стенками и с большим отно­ шением глубины к ширине. Величина А изменяется с измене­ нием. давления. Так, при р < 0,1 Па она превышает 100, а при возрастании давления до р > 10 Па - уменьшается до 5. При пос­ тоянном давлении анизотропию процесса можно повысить, уве­ личив напряженность ускоряющего электрического поля.

При формировании заданных конфигураций поверхности при­ меняются металлические, углеродные и фоторезистивные маски. Фоторезисты достаточно устойчивы к воздействию бомбарди­ рующих ионов, однако скорость их травления соизмерима со скоростью травления ряда материалов. Поэтому при травлении поверхностей Si, SiO 2>пленок металлов или их окислов, замас­ кированных фоторезистом, толщина маски и параметры плазмы подбираются таким образом, чтобы время травления структуры было меньше, чем время существования маскирующего фоторе­ зиста в плазме. Необходимость применять маски значительной толщины влечет за собой снижение разрешающей способности метода и даже искажение геометрии структуры за счет эффекта переосаждения распыленного материала. Для расчета потока распыляемого материала на вертикальные и наклонные стенки маски при травлении поликристаллического материала может быть использована простая модель, предложенная в работе [176]. Согласно этой модели, поток вещества в точку на верти­

кальной стенке маски
F* ( y ) mF o	( Ь \ + у гУ 12 ^
на наклонной стенке -
[1 -	у sin. а + 1 м cos а
	1.

где F0 — плотность потока инжектируемых частиц (на единицу площади и единицу телесного угла по направлению V - 0); а - Дополняющий угол наклона стенки к подложке; Хм - расстоя­ ние между стенками маски.

119

Глубокие и высокоточные профили травления можно полу­ чить, применяя маски из материалов, имеющих относительно низкую скорость распыления (например, Ti, V, Cr, Mn, А1, Та, С).

Происходящее в процессе ионно-лучевого травления распыле­ ние защитной маски на элементах микронных и субмикронных размеров может вызвать „уход размеров” элементов

L —L M= 2 ЛтрV tp	CfO I V j р (0) sin 0,
где Лтр - глубина травления; V"р	(0) —скорость травления под­

ложки при нормальном падении потока ионов; 1/ ” р (0) —ско­ рость травления края маски, имеющего угол наклона 0 к падаю­ щему потоку ионов [96].

Поскольку скорость ионно-лучевого травления с ростом 0 увеличивается, достигая максимального значения при 0 = 45...

...60 °, а затем постепенно уменьшается, то на восходящем уча­ стке зависимости 1^р = / (0) можно считать

^ ( 0 ) = » % ( O ) / C O S 0 ,

тогда

L —Lf,| —4 Л хр (0) № jp (0) sin 2 0.

Практически для всех сочетаний применяемых в микро­ электронике материалов tfMxp (0) и*пхр (0) близки по величине, поэтому наибольшая точность воспроизведения геометрических размеров элементов достигается только при использовании ма­ сок с вертикальными стенками. Однако, как показано в работах [53,96], такие условия при ионно-лучевом травлении элементов микронных и субмикронных размеров не соблюдаются, пос­ кольку профиль защитной маски на таких элементах в результа­ те термообработок приобретает полусферическую форму и при нормальном падении ионов край маски вырождается в клин, вы­ тянутый вдоль элемента, с углом наклона, соответствующим максимальной скорости распыления материала защитной маски.

Наиболее перспективными областями использования методов ионного травления, главным образом ионно-лучевого, который почти полностью вытеснил из микроэлектронного производства ионно-плазменное травление, считаются травление слоев мате­ риала толщиной до 5 мкм через неорганические маски, а также обработка многокомпонентных материалов и сплавов. Получе­ ние рельефа с субмикронными размерами элементов через орга-

120