Разработка литографических методов и спецоборудования для создания СБИС и транзисторных структур с субмикронными размерами элементов

В современных условиях ускорения научно-технического прогресса особую важность приобретает задача создания и освоения новых поколений ЭВМ всех классов. Ведущую роль в решении этой задачи играет высокоэффективное производство новейших сверхскоростных (ССИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем с применением как технологии на кремнии, так и технологии на арсениде галлия в зависимости от требуемого уровня быстродействия и условия применения.

Кроме кремниевых и арсенид-галлиевых типов СБИС, широко используемых в большинстве классов ЭВМ, в составе микропроцессорных систем в качестве энергонезависимой внешней памяти используются и запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах (ЗУ на ЦМД). Данные устройства отличаются высокой плотностью записи, радиационной стойкостью, сохраняют информацию без потребления энергии, некритичны к перенапряжениям и перегрузкам, имеют высокие температурную и временную стабильность параметров и помехозащищенность. Поэтому ЗУ на ЦМД могут решать вопросы надежности военной, космической аппаратуры, систем проектирования и оборудования с тяжелыми условиями эксплуатации. Эта твердотельная память состоит из ЦМД накопителя на ЦМД СБИС, управляемых полупроводниковыми микросхемами.

Наиболее глубоко к настоящему времени разработаны ЗУ с элементной базой, основанной на использовании магнитомягких пленочных аппликаций из пермаллоя 80№ - 20Бе, располагающихся над поверхностью ЦМД — содержащей эпитаксиальной феррит — гранатовой * пленки (ГРЭС). При этом плотность записи информации в ЦМД.

СБИС определяется диаметром домена с! и уровнем разрешения 5 технологии управляющих элементов, ограничивающего воспроизводи-ф мый минимальный размер 8 в топологии ячейки памяти [1]. При разрешении < 0.5 мкм можно обеспечить плотность записи информации 4 Мбит/см2 в случае использования ЦМД диаметром 1 мкм и 16 Мбит/см2 для ЦМД с диаметром 0.5 мкм.

Постоянно растущая потребность в объемах всех видов памяти ведет к необходимости резкого повышения уровня интеграции микросхем за счет увеличения кристалла и уменьшения размеров элементов. Исходя из потребностей СБИС повышенной емкости возникает потребность в разработке микросхем с критическими размерами элементов 0.5 мкм и менее.

В этой связи особую важность приобретает задача разработки прогрессивных технологических процессов и оборудования, позволяющих формировать субмикронные элементы микросхем, ^ обеспечивая тем самым производство СБИС сверхвысокой степени интеграции.

Отсюда и основная цель представленной диссертационной работы:

— разработка литографических методов, технологий и оборудования, обеспечивающих производство СБИС с субмикронными размерами элементов.

Достижения этой цели требовало решения следующих задач: усовершенствование технологий изготовления существующих микросхем с целью увеличения выхода годных микросхем и улучшения характеристик самих микросхем;

— разработка методов формирования топологии схем и оборудования для изготовления фотошаблонов повышенной сложности;

— разработка технологий изготовления СБИС высокой степени интеграции, включающих формирование резистивного рисунка схемы, перенос изображения с минимальными уходами размеров (< 0.05 мкм) • в функциональные слои и обеспечивающих при заданных физических характеристиках уменьшение критических размеров элементов с 1.5 мкм до 0.1 мкм в поле экспонирования > 2 см²;

— разработка и модернизация устройств и установок, обеспечивающих формирование заданной топологии интегральных схем.

Актуальность данной работы определяется, с одной стороны, практическими потребностями повышения технических характеристик уже существующих приборов: снижение энергопотребления, расширения температурного диапазона работы, повышения надежности, а также необходимости совершенствования элементной базы с целью достижения максимальной плотности записи информации при данном литографическом разрешении, с другой стороны, для создания СБИС высокой степени интеграции требуется разработка и освоение новых Ф технологических методов и устройств, так как задача создания ЗУ емкостью 1−16 Мбит, обуславливающая, при заданных физических характеристиках, уменьшение критических размеров элементов массива хранения информации с 1.5 до 0.5.0.3 мкм в поле экспонирования более 2 см² не может быть решена методами традиционной фотолитографии.

Изготовление СБИС высокой степени интеграции с субмикронными размерами возможно методами электронно-лучевой, рентгеновской и ионно — лучевой литографии, а также фотолитографией с источником глубокого ультрафиолетового излучения (ГУФ). Использование новых литографических методов, особенно рентгеновской литографии, метода самоформирования и «сухих» способов травления, может оказаться важной и при разработке предполагаемого поколения магнитной памяти — ЗУ на вертикальных блоховских линиях с плотностью записи на порядок и более превышающей плотность записи информации на ЦМД и критическими размерами «0.1 мкм, кремниевых и арсенид — галлиевых МДП транзисторов с длиной затвора «0,1 мкм, приборов на эффекте Джозефсона, линий задержки на ПАВ и других приборов микроэлектроники с размерами элементов «0,1 мкм.

Диссертационная работа состоит из 5 глав, введения и заключения.

В первой главе рассмотрены основные литографические методы формирования резистивного рисунка схем. Дана их сравнительная характеристика, выводы и рекомендации по использованию их в технологии изготовления микросхем с критическими размерами 0,1−1,0 мкм. Проведена теоретическая и экспериментальная оценка возможностей различных источников рентгеновского излучения: установки с вращающимся анодом (А1, Си, Ag) и синхротронного ^ излучения (СИ). Проведена теоретическая оценка влияния различных параметров экспонирования (интенсивности, длины волны излучения, поглощения излучения и др.) на характеристики рентгенолитографи-ческих систем. Проведены исследования возможности применения синхротронного излучения в рентгенолитографии. Даны рекомендации на разработку, изготовление и модернизацию рентгенолитографи-ческих систем с характеристиками, обеспечивающими субмикронную технологию. Показано, что разработанная установка экспонирования «Рентгенотрон» удовлетворяет требованиям технологии изготовления многослойных СБИС с размерами элементов 0.5 — 1.0 мкм. Показано, что наиболее предпочтительным источником излучения, обеспечивающим разрешение «0.05 мкм и высокое качество изображения, является накопительное кольцо с энергией 0.8 ГэВ, током 1 А и X «2,0 нм, позволяющее повысить производительность метода рентгенолито-графии в 102 — 103 раз.

Вторая глава посвящена исследованию и разработке шаблонов для рентгенолитографии, которые должны удовлетворять весьма сложным и довольно специфичным требованиям. Рассматриваются несколько конструкций и технологических маршрутов изготовления рентгеношаблонов, исходя из исследованных возможностей использования различных материалов в качестве мембран рентгеношаблонов и поглощающего слоя. Из нескольких типов разработанных шаблонов наилучшими характеристиками (прочностью, стабильностью и т. д.) обладает шаблон с комбинированной мембраной из 1 мкм слоя кремния, легированного бором, и 1 — 2 мкм слоя полиимида, который может использоваться как в случае применения точечных источников, так и для СИ. Показано, что в качестве поглощающего слоя помимо золота могут использоваться вольфрам, тантал, рений. С целью повышения геометрической стабильности с поглощающим слоем из этих металлов предложен метод снижения остаточных механических напряжений в пленках за счет использования слоев молибдена, хрома, БЮг, обеспечивающих компенсирование этих напряжений.

В третьей главе рассмотрены свойства резистивных материалов с целью их использования в рентгенолитографии. Исследована чувствительность, контрастность и разрешающая способность существующих электронных резистов к рентгеновскому излучению от точечных источников с анодами из Ag, А1, Си и синхротрона С — 60. По результатам исследований определены пути синтеза резистов для рентгенолитографии. Проведено исследование чувствительности рентгенорезистов в зависимости от состава сополимеров, молекулярной массы и молекулярно-весового распределения. Показано, как варьируя составом сополимера и его обработкой, можно добиться увеличения чувствительности резистов на порядок.

Проделаны теоретические расчеты возможной сенсибилизации рентгенорезистов. Показано, что для одновременного улучшения чувствительности и разрешающей способности рентгенорезистов следует в качестве сенсибилизирующих добавок выбирать атомы элементов с большим атомным коэффициентом поглощения и максимальным выходом низкоэнергетических вторичных электронов. Результаты исследований позволили рекомендовать для этой цели элементы с порядковым номером в таблице элементов ъ — 28 — 34, 51 -68, 90 — 92. Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния фото — и оже — электронов, возникающих в подложке и рентгеношаблоне, на процесс экспонирования. Выявлено, что негативные резисты, хотя и имеют высокую по сравнению с позитивными чувствительность, но обладают меньшей разрешающей способностью, имеют более слабый контраст.

В четвертой главе рассмотрены технологические способы и приемы изготовления МИС на ЦМД. Основное внимание уделено: отработке технологии изготовления выпускаемых микросхем с целью увеличения выхода годных и улучшения характеристик самих микросхемразработке технологии изготовления фотошаблоновразработке технологии создания ЗУ на ЦМД емкостью 1−16 Мбит. Показано, что формирование коммутационной разводки путем анодирования сплава А1 — Си, использование полиимидного лака в качестве изоляционного, планаризирующего и защитного материала, использование в качестве защитной маски при ИЛТ пермаллоя слоя диэлектрика с минимальным коэффициентом распыления позволили повысить надежность работы приборов, упростить технологический процесс изготовления МИС на ЦМД.

В отработке существующих и в разработке новых технологий одним из основных факторов является наличие высококачественных и фотошаблонов. Запуск технологического модуля, оснащенного ф специально разработанным для нужд ЦМД электронно-лучевым генератором изображений топологии 10:1 и 5:1 (Отэлло-44), контрольно-измерительной аппаратурой и другими линиями, одновременно с разработкой технологических процессов изготовления ПФО, промежуточных фотошаблонов, рабочих фотошаблонов позволил обеспечить существующее производство и новые разработки необходимыми шаблонами.

Исследованы возможности использования электронной и рентгеновской литографий в производстве изготовления МИС на ЦМД с критическими размерами 0.5 — 1.0 мкм. Выбраны и отработаны технологические маршруты изготовления СБИС ЦМД электронной и и рентгеновской литографией. Показано, что синхротронное излучение от синхротрона С — 60 может с успехом использоваться в технологии изготовления прецизионных рабочих шаблонов для фотолитографии с глубоким ультрафиолетом и непосредственно для изготовления СБИС ЦМД с размерами 0.5 мкм и менее. На специализированном канале С -60 на разработанном и изготовленном автоматизированном устройстве были изготовлены комплекты (на кварцевых заготовках 102×102 мм и 127×127 мм) фотошаблонов для создания МИС на ЦМД емкостью 1 — 4 Мбит и изготовлены кристаллы СБИС ЦМД на основе ионно-имплантированных структур емкостью 1−16 Мбит.

В пятой главе рассматривается применение методов самоформирования и литографии для изготовления МИС на ЦМД емкостью 4 — 32 Мбит, полевых транзисторов с длиной затвора (0.1 мкм и других приборов с субмикронными и нанометровыми размерами элементов. Для оптимизации процессов формирования микроструктур • используется математическое моделирование операций фотолитографии и химического травления. Показано, что использование возможностей метода самоформирования — формировать в процессе эволюции в объекте структуры, не заложенные в шаблоне, и ц переносить изображение из одного слоя в другой с точностью (0.1 мкм, и резистивных масок с упрощенной геометрией и большими размерами элементов, сформированных с учетом выработанных в результате моделирования процессов рекомендаций, позволяет с успехом изготавливать приборы с размерами элементов (0.1 мкм).

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

В данной работе впервые получены следующие результаты. I. Разработана лабораторная технология процесса рентгенолито-графии, включающая:

1.1. Проведена теоретическая и экспериментальная оценка возможностей различных источников рентгеновского излучения — установок с вращающимся анодом (Р<1, Мо, N1), 81, А1, Си) и синхротронного излучения (СИ) для использования их в установках рентгеноли-тографии для промышленного изготовления СБИС.

По результатами исследований проведена разработка и изготовление установок рентгеновского экспонирования ДРС-2М, АРТВА-2, «Рентгенотрон» и установки экспонирования в пучках СИ.

Теоретически показано, что наиболее предпочтительным источником рентгеновского излучения является компактное электронное накопительное кольцо с энергией 0,8 ГэВ, током 1 А, А,"2 нм, обеспечивающим разрешение «0,01 мкм.

1.2. Разработана новая технология изготовления рентгеношаблонов. — Предложены конструкции рентгеношаблонов из полиимида, легированного бором кремния с возможностью фиксации зазора между шаблоном и рабочей пластиной с одновременным отводом тепла с шаблона.

— Показано, что в качестве поглощающего слоя вместо золота могут ф использоваться вольфрам, тантал, рений, которые не находили применения из-за наличия в пленках большого остаточного механического напряжения. Для снижения уровня напряжений в пленках этих металлов предлагается использовать слои молибдена, хрома, БЮг, Ре-№. Слои хрома и Бе-М обеспечивают не только компенсацию напряжений, но и служат маской при формировании рентгенопоглощающего рисунка методами плазмохимического травления.

— Предложен способ формирования знаков совмещения, обеспечивающий использование оптического совмещения с точностью лучше 0,1 мкм.

1.3. Проведено исследование чувствительности, разрешающей способности, контрастности резистов к рентгеновскому излучению и электронно-лучевому экспонированию.

— Показано, как варьируя составом сополимера, молекулярным весом и его обработкой, можно добиться увеличения чувствительности резиста на порядок.

— Проведены теоретические расчеты возможности сенсибилизации рентгенорезистов. Показано, что для одновременного улучшения чувствительности и разрешающей способности рентгенорезистов следует в качестве сенсибилизирующих добавок выбирать атомы элементов с большим атомным коэффициентом поглощения и максимальным выходом низкоэнергетических вторичных электронов. В качестве сенсибилизирующих добавок лучше использовать элементы с порядковыми номерами в таблице элементов Z=28 — 34, 51 — 68, 90 -92. Были изготовлены рентгенорезисты с добавками Бе и Ое, чувствительных которых увеличилась в 3 — 5 раз на А1 — Ка-излучении.

1.4. Проведена опытная эксплуатация, коррекция конструкции установки «Рентгенотрон» и разработана лабораторная технология ф изготовления многослойных СБИС с размерами 0.5 — 1.0 мкм.

I.5. Впервые в стране совместно с НИИТМ и ФИАН на синхротроне С.

— 60 создана установка для обеспечения экспонирования в пучках синхротронного излучения кремниевых пластинах и кварцевых ФШЗ размером до 150 мм. Разработан технологический процесс рентгеновского экспонирования в пучках СИ образцов с толщиной резиста 0.5 — 1.0 мкм производительностью до 3 пластин/час.

II. Разработана технология изготовления СБИС ЦМД емкостью 1−16 Мбит.

2.1. Разработан и введен в эксплуатацию технологический модуль по производству ПФО, ЭФШ, РФШ, оснащенный ЭЛУ «Отэлло-44», «Отэлло-1», системой машинного программирования СМП «Кулон-1» и «Кулон-4», фотоштампов AER, контрольно-измерительной и технологическими линиями, производительностью более 250 комплек тов в год. Впервые в отрасли проведено промышленное эксплуатационное испытание ЭЛУ «Отэлло-44», «Отэлло-1», проведена модернизация узлов, доработано программное обеспечение этих установок, что было использовано при изготовлении нового поколения установок ЭЛУ.

2.2. Разработаны и внедрены технологические процессы изготовления:

— ПФО, ЭФШ, бездефектных РФШ с 3х и 4х ПФО;

— шаблонов с увеличенным размером кристалла (20×20) мм и минимальным размером элементов (0,9 ± 0,1) мкм;

— рабочих фотошаблонов с размерами 0,5 — 1,0 мкм для фотолитографии с ГУФ с помощью электронной и рентгеновской литографии.

2.3. Разработана технология изготовления ЗУ на ЦМД по планарному варианту, включающая использование пористого и плотного анодирования коммутационного слоя, полиимидного лака как планаризирующего, изоляционного и защитного покрытия, слоев диэлектрика в качестве защитной маски пермаллоя при ИЛТ, позволяющая значительно повысить надежность работы приборов и расширить область устойчивой работы серийно выпускаемых приборов.

2.4. Разработана технология изготовления ЗУ на ЦМД с размером 0,51,0 мкм с помощью электронной, рентгеновской и оптической литографии с ГУФ, позволяющая достичь плотности записи информации 16 Мбит/см2 в экспериментальных образцах.

2.5. Показано, что из известных методов ПХТ предпочтительнее является плазмохимическое травление в планарном реакторе. С помощью методов литографии и ПХТ в Та, Nb, Si, Si02, полиимидном лаке сформированы субмикронные структуры с вертикальными стенками и размерами элементов 0,1 — 1,0 мкм.

III. Разработана технология изготовления структур микроэлектроники с размерами 0,1 — 0,5 мкм.

— Показано, что применением метода самоформирования и оптической литографии можно изготавливать структуры микроэлектроники: ЗУ на ЦМД с критическими размерами 0,2 — 0,3 мкм, кремниевые и арсенидгаллиевые МДП, ПТШ — транзисторы с длиной затвора < 0.1 мкм, магнитометры на эффекте Джозефсона с критическими размерами < 0,1 мкм, линии задержки на ПАВ с шагом 0.2 — 0.6 мкм.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах, список которых приведен в конце диссертации. Общее число публикаций по теме — 59, в том числе: авторских свидетельств 21, НИР и ОКР-14.

Основное содержание диссертационной работы может быть сформулировано в виде следующих положений, которые и выносятся на защиту.

1. Разработана технология процесса контактной рентгенолитографии, включающая :

— разработка, изготовление, коррекция конструкций установок рентгеновской литографии: компактной установки с вращающимся анодом (А1, Си) — «Ренгенотрон» (к~ (0.8 — 1.3)нм), автоматического устройства экспонирования в пучках синхротронного излучения (синхротрон С — 60, 2,5 нм);

— разработка конструкций и технологии изготовления рентгеношабло-нов;

— исследование, расчеты сенсибилизации и синтез рентгенорезистов.

2. Впервые в стране разработана технология изготовления ПФО, ЭФШ, бездефектных РФШ с размерами 0,5 — 1,0 мкм методами оптической, электронной и рентгеновской литографии на отечественных установках ЭЛУ «Отэлло — 44», «Отэлло — 1» и разработанной установке экспонирования по шаблонным заготовкам размером до (153×153) мм в пучках синхротронного излучения.

С — 60).

3. Разработана технология изготовления приборов микроэлектроники, с размерами 0,1 — 1,0 мкм, включающая:

— формирование резистивного рисунка схемы методами оптической, электронной и рентгеновской литографии,.

— перенос изображения с минимальными уходами размеров (< 0.05 мкм) в функциональные слои способами «сухого» и химического травления.

— формирование субмикронных структур в функциональных слоях, не заложенных в шаблоне, методами литографии и самоформирования.

5.7. Выводы.

Рассмотренные в данной главе технологические маршруты изготовления магнитометров, ЗУ на ЦМД, МДП-транзисторов, линий задержки на ПАВ, дифракционных решеток и шаблонов для нанолитографии показывают, что использование таких возможностей метода самоформирования, как:

— способность формировать в процессе эволюции в объекте структуры, не заложенные в шаблоне;

— способность изготавливать только одной литографией без прецизионного совмещения субмикронные элементы;

— способность переносить изображение из одного слоя в другой с помощью соответствующих травителей с точностью ±0,1 мкми резистивных масок с упрощенной геометрией и большими размерами элементов, сформированных с учетом выработанных в результате моделирования процессов фотолитографии и химического травления рекомендаций, позволяет с успехом изготавливать приборы с размером элементов = 0,1 мкм, что ранее считалось возможным только для электронной и рентгеновской литографий.

Кроме того, использование метода самоформирования совместно с электронной или рентгеновской литографией позволяет формировать структуры с нанометровыми размерами элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Успехи, достигнутые в микроэлектронике, в значительной степени объясняются использованием литографических процессов и, как показано в настоящей работе, наиболее предпочтительной в производстве сверхбольших интегральных схем является рентгеновская литография, которая легко приспосабливается к уменьшению геометрии рисунка схемы, т.к. в зависимости от длины волны экспонирования может воспроизводить любые размеры топологии схем. Разработка технологии изготовления интегральных схем показала, что для изготовления ИС с размерами элементов 0.5−1 мкм могут применяться рентгенолитографические установки с вращающимся анодом (А1, 81, Си), а для СБИС с размерами 0.05 — 0.5 мкмсинхротронное излучение с X «2.0 нм. Однако в настоящее время для изготовления СБИС с размерами до 0.25мкм. вне конкуренции остается все же оптическая фотолитография с применением источников с длиной волны X = 248 нм и 193 нм. А применение метода самоформирования и любой из литографий может быть с успехом использовано при создании приборов микроэлектроники с размерами до «0.1 мкм.

Разработанные в диссертационной работе технологические методы, процессы, оборудование и материалы могут быть доведены до промышленного уровня их применения в изготовлении изделий микроэлектроники с высокой степенью интеграции. Особенно актуальным представляется развитие работ по формированию быстродействующих МДП-транзисторов, приборов на основе эффекта Джозефсона, линий задержки на ПАВ с размерами элементов «0.1 мкм. С другой стороны, работы по углублению результатов данной диссертации привели к необходимости использования методов нанотехнологии для получения сверхтонкого рисунка и сверхточного совмещения слоев в области размеров <0.5 мкм.

Методы быстроразвивающейся туннельной микроскопии могут быть успешно применены совместно с развитыми в диссертации для изготовления действующих приборов с рекордными параметрами уже на современном этапе.

Благодарности.

Считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность моим коллегам и соавторам по научной работе, прежде всего Чиркину Генадию Константиновичу, многолетнее творческое общение с которым оказало на меня большое влияние при формировании как специалиста, Семину Юрию Федоровичу как основному помощнику и исполнителю всех разработанных идей, который не позволял остановиться на достигнутом и содействовал дальнейшему усовершенствованию начатых работ, а также Гревцеву Николаю Васильевичу, Скиданову Владимиру Александровичу, Барышеву Юрию Петровичу, Лукичеву Владимиру Федоровичу в содружестве с которыми получена часть результатов диссертации. Выражаю также глубокую признательность Орликовскому Александру Александровичу, участникам руководимого им семинара и сотрудникам его лаборатории за доброжелательное и критическое обсуждение ключевых исследований и помощь в проведении исследовательских работ.

Особую признательность выражаю Валиеву Камиль Ахметовичу за его постоянный интерес и поддержку всех работ выполняемых на протяжении моей научной деятельности, Якименко Михаилу Николаевичу, Александрову Юрию Михайловичу и коллективу лаборатории ЛЭВЭ ФИАН за совместное плодотворное сотрудничество, помощь в проведении исследовательских работ и дружеское участие в моей деятельности.