2 Технологические методы создания интегральных микросхем

2.1 Классическая литография [2]

Массовое производство микроэлектронной аппаратуры с элементами достаточно малых размеров стало возможно во второй половине ХХ века благодаря применению и развитию фотолитографии. В этом методе изображение элемента или схемы выполняется в виде рисунка на металлической плёнке, нанесённой на прозрачную подложку. Такой рисунок называется маской или фотошаблоном. Затем рисунок с помощью потока света переносится на полупроводниковую пластину, в которой слой за слоем формируется физическая структура интегральной схемы. Таким образом, фотолитография – это процесс переноса изображения с фотошаблона на полупроводниковую подложку. Для этого на поверхности подложки создаётся плёночное покрытие из светочувствительного полимерного материала; покрытие облучают через фотошаблон с изображением элементов схемы, и затем покрытие проявляют (травят в растворителе), так что изображение схемы перено-сится на подложку. Этапы фотолитографии иллюстрирует рисунок 2.1.

Многие годы для проведения травления использовались различные влажные химические процессы. Но необходимость непрерывного повышения степени интеграции и информационной ёмкости микросхем привела к тому, что влажные процессы уже не могли обеспечить необходимого разрешения.

При использовании обычных литографических процессов, применяемых в микроэлектронике, для получения рисунков с нанометровыми размерами определяют предельные возможности процессов экспонирования и травления. Минимальный размер рисунка , который может быть разрешен с помощью оптической системы, оценивается с использованием известной формулы для определения дифракционного предела согласно критерию Рэлея,

(2.1)

где - константа, зависящая от типа используемого резиста и типа литографического процесса;

- длина волны света;

- числовая апертура оптической системы.

Формула (2.1) показывает, что для реализации высокого разрешения необходимо уменьшать длину волны и увеличивать числовую апертуру. Числовая апертура равна

, (2.2)

где - угол между крайними лучами конического светового пучка,

- показатель преломления среды, в которой находится объект.

Так как числовая апертура пропорциональна , то для её увеличения рассматриваемые предметы часто помещают в жидкость с большим , так называемую иммерсионную жидкость.

Для производства микросхем с 350 нм рисунками использовалась 360 нм дуговая ртутная лампа. Дальнейшее увеличение степени интеграции микросхем обусловлено переходом литографических систем в область глубокого ультра-фиолета (deep UV). Для транзисторов с 250 нм рисунками используют эксимерные лазеры KrF с длиной световой волны 248 нм. Литография со 180 нм рисунками реализуется с использованием эксимерного лазера ArF с излучением 198 нм. Литография со 118 нм рисунками ориентирована на использование 157 нм F2 лазе-ра. Эксимерные лазеры – это газовые лазеры, в которых активной средой служат эксимеры – молекулы, существующие только в возбуждённом состоянии. В качестве активной среды в эксимерных газовых лазерах используются галогениды инертных газов. Активную среду в эксимерных газовых лазерах возбуждают газовым разрядом, пучком быстрых электронов, оптической накачкой или комбинацией этих методов. Эксимерные газовые лазеры излучают в ультрафиолетовой области спектра [6].

Увеличение числовой апертуры имеет ограничение, связанное с уменьше-нием глубины фокуса DOF

DOF= , (2.3)

где - константа, зависящая от типа литографического процесса.

В литографической системе необходимо иметь чёткое изображение, как на вершине слоя резиста, так и в глубине. Применение систем с высокой апертурой и короткой длиной волны снижает глубину фокуса до недопустимых пределов даже для субмикронного разрешения и становится серьёзной проблемой при разработке наноэлектронных приборов.

Наноэлектронные конструкции должны иметь высокое отношение высоты линии Н к её ширине В, называемое аспектным отношением (aspekt ratio).

Для толстых резистов по сравнению с длиной волны используемого света достижение необходимой глубины фокуса становится существенной проблемой [2]. Таким образом, существуют физические и технические проблемы, затрудняющие прямое использование микроэлектронных технологических процессов для создания структур наноразмерного масштаба.

Расширение возможностей традиционной литографии достигается, в частности, использованием фазосдвигающих масок и многослойных резистов. При экспонировании близкорасположенных линий световые лучи имеют приблизительно одинаковые фазы. Это приводит к тому, что в области между линиями наблюдается интерференция хвостов световых потоков, экспонирующих различные линии. Это приводит к резкому снижению разрешения при работе в режиме, близком к дифракционному пределу. Ситуацию можно исправить, если обеспечить экспонирование соседних линий лучами с противоположными фазами. Сдвиг фаз достигается применением специальных фазосдвигающих покрытий при изготовлении фотошаблонов.

В некоторых случаях использование интерференции сдвинутых по фазе лучей применяется для экспонирования отдельных линий, размер которых существенно меньше длины волны используемого света. Перспективным способом исключения интерференционных эффектов является экспонирование с применением внеосево-го освещения. В этом случае фазовый сдвиг обеспечивается тем, что угол падения света на резист выбирается таким образом, чтобы соседние линии освещались лучами с противоположными фазами.

Увеличить разрешение литографических процессов позволяет применение многослойных резистов. В этом случае перед нанесением фоточувствительного резистивного слоя на подложку наносится специальное антиотражающее покрытие. Этот дополнительный слой выполняет различные функции. Он является дополнительным слоем, который сглаживает сложную топологию уже организованного на поверхности рельефа. Кроме того, он поглощает отражённые от поверхности подложки обратно рассеянные лучи, которые могут существенно исказить получаемую картину. Высокочувствительный слой верхнего резиста может иметь малую толщину, что положительно влияет на допустимую глубину фокуса процесса. Применение сложных оптических систем, новых источников экспонирования (в частности лазеров F2), многослойных резистов позволяет перешагнуть рубеж в 100 нм. Для получения структур с разрешением ниже 100 нм необходима разработка новых технологических режимов: высокопроизводительных литографических систем, использующих предельный или экстремальный ультрафиолет (Extrum UV Lithography - EUVL), электронную проекционную литографию (SKALPEL), ионную литографию (Ion Beam Lithography), рентгеновскую литографию (X – Ray Lithography) [2]. Рассмотрим эти технологии подробнее.