ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.315.592
ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ ПОЗИТИВНЫХ ФОТОРЕЗИСТОВ
© 2014 г. Д. И. Бринкевич1, С. Д. Бринкевич1, Н. В. Вабищевич2, В. Б. Оджаев1, В. С. Просолович1
1 Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь 2УО Полоцкий государственный университет, Новополоцк, Беларусь E-mail: Brinkevich@bsu.by Поступила в редакцию 10.06.2013 г.
Исследованы процессы радиационного дефектообразования при ионной имплантации пленок позитивного фоторезиста ФП9120. Установлено, что процессы радиационного дефектообразования протекают не только в области торможения ионов, но и далеко за областью проецированного пробега ионов Sb. Эффект радиационного упрочнения полимера наблюдался по всей толщине пленки, причем за слоем внедрения ионов указанный эффект выражен сильнее. Предположительно, он обусловлен процессами радиационного сшивания. Ионная имплантация приводит к снижению микротвердости вблизи границы раздела фоторезист/Si, что обусловлено ухудшением адгезионного взаимодействия фотополимерной пленки с кремнием.
DOI: 10.7868/S0544126914010037
ВВЕДЕНИЕ
Ионная имплантация широко применяется в современной полупроводниковой микроэлектронике с целью загонки строго дозированного количества примесных атомов для последующей диффузионной разгонки при формировании локальных легированных карманов [1—4]. Повышение степени интеграции предъявляет высокие требования к блоку операций, обеспечивающих маскирование ионного пучка. Одним из основных материалов маскирующего покрытия являются фоторезисты. Так, если при формировании элементной базы по п-МОП технологии применяется до 10 операций фотолитографии, из которых маскирование ионного легирования обеспечивают 3, то при формировании элементной базы по БИКМОП технологии применяется до 22 операций фотолитографии, из которых маскирование обеспечивают около 12 [5]. В качестве масок в процессах субмикронной и нанолитографии важную роль играют диазохинон-новолачные (ДХН) резисты [1]. Взаимодействие ДХН-рези-стов с электронами, дальним ультрафиолетом, рентгеновским и видимым излучением исследовано достаточно подробно [1]. Однако влияние ионной имплантации на свойства указанных ре-зистов изучено недостаточно, хотя протекающие в резистах процессы радиационного дефектооб-разования могут оказывать существенное влияние на качество создаваемых приборов.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В настоящей работе методом микроинденти-рования исследовались процессы дефектообразования при ионной имплантации пленок промышленного позитивного фоторезиста ФП 9120, представляющего собой композит из светочувствительного О-нафтохинондиазида и фенол-формальдегидной смолы. Пленка фоторезиста толщиной 1.8 мкм наносилась промышленным способом на поверхность пластин кремния марки КДБ-10 (111). Имплантация ионами 8Ъ+ с энергией 60 кэВ ("Ы+ стоки" КМОП-технологии и "Ы+ скрытый слой" БИКМОП-технологии) в интервале доз 1 х 1015—5 х 1016 см-2 при плотности ионного тока ] = 4 мкА/см2 проводилась в остаточном вакууме 10-5 мм рт. ст. на ионно-лучевом ускорителе "Везувий-6". Облучение у-квантами 60Со осуществлялось при комнатной температуре и атмосферном давлении на установке МРХ-у-25М. Мощность поглощенной дозы составляла 0.36 ± ± 0.008 Гр/с. Интервал поглощенных доз 6-200 кГр.
Микроиндентирование проводилось на приборе ПМТ-3 по стандартной методике при комнатной температуре. В качестве индентора использовался алмазный наконечник в форме четырехгранной пирамиды с квадратным основанием и углом при вершине а = 136°. Нагрузка (Р) на ин-дентор варьировалась в пределах 5-50 г. Травление пленок фоторезиста проводилось в 3 М водном растворе КОН при комнатной температуре.
3
193
Н, 2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
ГПа
20
40
60
80 100 Нагрузка, г
Рис. 1. Зависимости микротвердости от нагрузки для структур фоторезист-кремний. Индентирование осуществлялось со стороны полимерного слоя. Доза внедренных ионов 8Ъ+, см-2: 1 — исходный; 2 — 1 х 1015; 3 — 1 х 1016; 4 — 5 х 1016; 5 — у-облученный, поглощенная доза 2800 кГр.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В исходных (неимплантированных) образцах отпечатки индентора имели бочковидную форму, что указывает на наличие растягивающих напряжений в полимерной пленке [6]. Возможно, это обусловлено уменьшением объема фотополимера в процессе сушки. При нагрузках свыше 20 г в центре отпечатка наблюдаются светлые квадраты — отпечатки в кремниевой подложке, поскольку при этих нагрузках глубина внедрения индентора превышает толщину пленки фотополимера (1.8 мкм).
Микротвердость исходных (неимплантиро-ванных) структур фотополимер-кремний монотонно возрастает при увеличении нагрузки, т.е. глубины проникновения индентора (рис. 1, кривая 1). Так микротвердость фоторезиста при глубине проникновения индентора 1.2 мкм (нагрузка 2 г) была ~ 0.30 ГПа, а на глубине 1.65 мкм (нагрузка 10 г) возрастала более чем в 2 раза до 0.74 ГПа. Аналогичное увеличение микротвердости по мере приближения к границе раздела фоторезист-кремний наблюдалось нами ранее для тонких пленок сополимеров на основе полиме-тилметакрилата [6]. Такое поведение полимерных пленок кардинально отличается от поведения металлических и боридно-нитридных пленок, микротвердость которых постоянна по глубине и не зависит от величины нагрузки [7].
Для оценки численных значений микротвердости по глубине слоя вблизи границы раздела фоторезист—81 экспериментальные зависимости Н(Р) были пересчитаны по формуле [8]
Hсл _ Hi+Ihi+1
■ Hihi
hi+i - h
(1)
где И™ — микротвердость /-го слоя, Н и к1 — величины микровердости и глубины проникновения индентора, измеренные при /-ой нагрузке из дискретного набора нагрузок (Р = 5, 10, 20 г ...). Результаты расчета представлены в виде гистограмм на рис. 2. В необлученных образцах Нсл у поверхности фоторезиста соответствует значениям ~0.25 ГПа, характерным для монолитной пленки полимера (рис. 2а, кривая 1). Величина слоевой микротвердости монотонно возрастает при приближении к границе раздела фоторезист-81 и на расстоянии ~2.5 мкм от поверхности фоторезиста (~0.7 мкм от границы раздела фоторезист-кремний) выходит на значение ~9.7 ГПа, характерное для микротвердости пластин кремния марки КДБ-10 (рис. 2а, кривая 1). Глубина упрочненного слоя полимера у границы с кремнием достигает 0.5 мкм.
Полученные экспериментальные данные могут быть объяснены взаимодействием фоторезиста и кремния (окисла на его поверхности), приводящим к упорядочению его структуры вследствие ориентации молекул, что неизбежно должно способствовать упрочнению полимерной пленки
0
вдоль направления ориентации. Подобное взаимодействие отмечалось авторами [9, 10] для поли-метилметакрилата и 8Ю2 и наблюдалось на глубинах до десятков микрон. Авторами [11] на границе раздела полиакриламид — кремний наблюдалось образование связей между атомами водорода в амидных группах и кислорода на поверхности кремния, приводящее к ориентации карбонильных групп параллельно поверхности кремния. Согласно [12], полимеры способны ориентироваться под действием внешних воздействий (например, электрического или магнитного поля) и после удаления растворителя сохранять стабильный порядок. Причем степень кристалличности системы ориентированных цепей может быть близка к 100%.
Имплантация структур фоторезист-кремний ионами 8Ъ+ приводила к снижению трещиностой-кости полимера. При дозе 1 х 1015 см-2 радиальные трещины в пределах отпечатка наблюдаются только при нагрузках свыше 20 г. С увеличением дозы ионов трещинообразование внутри отпечатка усиливается и наблюдается при меньших нагрузках. При дозах свыше 1 х 1016 см-2 трещинообразование настолько сильно, что приводит к искажению формы отпечатка. Однако при нагрузках менее 10 г даже при дозе 5 х 1016 см-2 трещины наблюдаются только под ребрами у вершины пирамиды, где развиваются максимальные напряжения. Отметим, что трещинообразование происходит только в слое полимера. В кремнии трещин не наблюдается. Облегченное трещинообразование вдоль направления ориентации характерно для ориентированных полимеров [12]. Резкое усиление трещинообразо-вания в пленках фоторезиста при проникновении индентора в кремний обусловлено, вероятно, релаксацией упругих напряжений.
Микроиндентирование структур фотополимер-кремний со стороны кремниевой подложки не выявило каких-либо существенных отличий по сравнению с исходными пластинами кремния. При этом измеренные значения микротвердости и микрохрупкости после имплантации существенно не изменялись. После удаления фоторезиста микротвердость кремниевых подложек не отличалась (в пределах погрешности эксперимента ~3%) от микротвердости исходных (до нанесения фоторезиста) пластин кремния. Это свидетельствует о физико-химических процессах под воздействием ионной имплантации только в полимерной пленке.
Имплантация кардинально изменяла характер зависимости микротвердости полимерного слоя от нагрузки - она становилась немонотонной (рис. 1). Особенно ярко это проявляется для пересчитанных согласно формуле (1) значений слоевой микротвердости Нсл (рис. 2). На гистограммах Нсл четко прослеживается формирование в процессе имплантации нескольких слоев полимера с
Нсл, ГПа 10
8
6
41-
(а)
Граница раздела фоторезист кремний
2.5 3.0 к, мкм
Нсл, ГПа 10
(б)
Граница раздела фоторезист кремний
Нсл, ГПа 10
8
6
4
2
1.5 2.0 2.5 3.0 к, мкм
(в)
Граница раздела фоторезист кремний
2.5 3.0 к, мкм
Рис. 2. Гистограммы зависимости слоевой микротвердости структур фоторезист-кремний от расстояния к от поверхности фоторезиста: (а) затемненная гистограмма (штриховая) — исходный; светлая гисто-грама (сплошная линия) — имплантированный ионами 8Ъ+ дозой 1 х 1015 см-2; (б) затемненная гистограмма (штриховая) - исходный; светлая гистограма -
16
имплантированный ионами 8Ъ+ дозой 1 х 10 см
-2;
(в) затемненная гистограмма (штриховая) - исходный; светлая гистограма - у-облученный дозой 50 кГр.
2
0
4
2
0
0
различными прочностными свойствами. Формирование при имплантации приповерхностного слоя с параметрами отличными от объемных подтверждается также исследованиями спектров отражения у
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.