ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 3, с. 6-15
УДК 621.382
СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ЛИТОГРАФИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ЕЕ РАЗВИТИЯ
© 2004 г. В. А. Злобин
Всероссийский электротехнический институт им. ВИ. Ленина, Москва, Россия
Поступила в редакцию 20.09.2003 г.
Рассмотрены состояние и перспективы развития электронной литографии, ее место в технологии микро- и наноэлектроники. Проанализированы потенциальные возможности и ограничения различных оптических схем и стратегий экспонирования в электронной литографии. Проведено сравнение достижений электронной литографии с успехами в области оптической и рентгеновской литографии.
ВВЕДЕНИЕ
Современная микролитография - уникальный процесс создания на поверхности твердого тела рисунка, состоящего из сотен миллиардов микроскопических элементов. Она является ключевым процессом в технологии микро- и наноэлектроники. Для проведения литографических операций с разрешением лучше 100 нм в настоящее время используются ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, электронные и ионные пучки. Прогресс современной электроники в последние два десятилетия определялся главным образом достижениями в области оптической и электронной литографии. Данные технологии широко используются в промышленности, имеют значительный потенциал для своего совершенствования, и на их развитие направлены большие усилия. Все большее применение находит рентгеновская литография, особенно в микромеханике. Собственно, своим рождением и микромеханика, и микрооптика обязаны уникальным возможностям микролитографии создавать не только плоские рисунки, но и объемные микроструктуры. Сейчас происходит формирование таких областей нанотехнологии, как молекулярная и квантовая электроника, развиваются нанобиосистемы и ряд других направлений, возникших благодаря последним достижениям литографии. В производстве экспериментальных квантовых и одноэлектронных приборов наибольшие надежды в ближайшие годы возлагаются на электронную литографию, главным образом просвечивающую [1]. На прототипах промышленных установок просвечивающей электронной литографии уже получены группы линий шириной 35 нм [2]. На системах со сканирующим пучком получены изолированные канавки шириной 3530 нм с отношением толщины резиста к ширине линии 10:1 и 8:1, соответственно [3]. Лет 15 назад на электронную литографию возлагались еще большие надежды, а оптической литографии предсказывался скорый конец. Сейчас с помо-
щью оптической литографии освоено массовое производство процессоров по технологии 0.13 мкм, идет освоение технологии 90 нм, а электронная литография заняла свою нишу в производстве фотошаблонов для оптической литографии, в смешанных литографических процессах (преимущественно для литографии затворов и межэлементных соединений) и мелкосерийном производстве заказных и опытных приборов. Каково сейчас место и перспективы развития электронной литографии в области новых приборов и технологий? Попытаемся ответить на этот вопрос.
ОСНОВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И СТРАТЕГИИ ЭКСПОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛИТОГРАФИИ
Электронная литография используется в технологии микроэлектроники уже более 30 лет. За это время усилиями таких фирм, как IBM, ETEC, Leica, Jeol, Hitachi, Jenoptik были созданы электронно-литографические установки нескольких поколений, действующие в основном по принципу сканирования остросфокусированным электронным пучком постоянного или переменного сечения. В них используются две основные стратегии экспонирования. В первой электронный пучок движется с постоянной скоростью, сканируя всю площадь пластины. В периоды сканирования пучком областей, не подлежащих экспонированию, пучок прерывается. При такой стратегии время экспонирования не зависит от генерируемого рисунка. Вторая стратегия - векторное сканирование: пучок перемещается от проэкспонированной фигуры к следующей, подлежащей экспонированию, "скачком", не тратя времени на сканирование темных областей рисунка. При векторном сканировании используется пучок постоянной, как правило гауссовой, или переменной, обычно прямоугольной, формы. По своему назначению установки этого типа являются генераторами
изображения. Они позволяют создать на шаблоне или полупроводниковой пластине рисунок, разработанный конструктором прибора и переведенный в цифровую форму, понятную электроннолучевой установке. В последние годы появились прототипы промышленных установок просвечивающей электронной литографии [4, 5]. Установки такого типа проецируют рисунок со специальных шаблонов на полупроводниковые пластины с уменьшением или копируют его один к одному. Эти системы обладают высокой разрешающей способностью и производительностью, являются аналогами установок оптической проекционной литографии и предназначены для их замены в массовом производстве новых поколений приборов.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ
Разрешающая способность. Постоянное уменьшение размеров элементов микросхем является устойчивой тенденцией развития микроэлектроники на протяжении последних 45 лет. Из анализа первых шести лет развития планарной технологии Гордоном Муром в 1965 году была выявлена закономерность, получившая впоследствии название закона Мура: число элементов на чипе каждый год удваивается [6]. За свою историю формулировка закона несколько раз корректировалась, менялся фактор, характеризующий уровень достижений микроэлектроники, немного изменялся показатель степени в зависимости этого фактора от времени [7], но тенденция экспоненциального увеличения плотности элементов в чипе сохранялась. В последнее время в качестве характеризующего параметра стала фигурировать полуширина минимального шага, с которым расположены элементы в микросхеме.
Длительная устойчивость тенденции экспоненциального уменьшения размеров элементов микросхем послужила основанием использовать закон Мура в долгосрочных прогнозах развития микроэлектроники. Закон Мура был положен в основу Национальной программы США по развитию технологии полупроводников NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) в 1994 году [8, 9], а затем и в основу ее преемницы - Международной программы по развитию технологии полупроводников ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) и все ее последующие редакции [10] (рис. 1). Таким образом, закон Мура превратился из средства прогнозирования в своего рода стандарт по развитию микроэлектроники.
Мощной движущей силой такой тенденции развития является улучшение большинства технических и экономических характеристик микроэлектронных приборов с уменьшением размеров их элементов. Повышается их быстродействие,
Рис. 1. Прогноз уменьшения минимальных размеров элементов в микроэлектронике: 1 - КТЯ8 1994, 2 -ГЖ8 1999, 3 - ГТЯв 2001.
уменьшается потребляемая мощность и затраты материалов на один элемент, растут функциональные возможности микросхем и т.д. Поэтому на повышение разрешающей способности литографии, являющейся "краеугольным камнем технологии современной электроники [9]", направлены громадные интеллектуальные и материальные ресурсы. Появившиеся при переходе в нанометро-вый диапазон размеров принципиально новые многообещающие технологические и функциональные возможности заставляют умножать эти усилия. Поэтому разрешающая способность является основной характеристикой литографии.
Теоретически предел разрешения электронно-оптической системы определяется дифракцией
электронов, имеющих длину волны X = 1.2 и-112 нм, (и0 - ускоряющее напряжение, В), сферической и хроматической аберрациями электронных линз, главным образом, объектива. Для системы с термоэмиссионным катодом и гауссовой формой пучка диаметр кружка рассеяния й определяется выражением [11]:
л2 Г I й = -
где I - ток пучка, В - яркость источника электронов, а - угол сходимости электронного пучка, Ссф, С^р - коэффициенты сферической и хроматической аберраций объектива, Е0 и АЕ - средняя энергия пучка и разброс энергий электронов в пучке соответственно.
| + (1.22Х)2
— + (0.5 Ссф )2а6 + а
:ь£п х 2
+ 1 — Cxp а ,
(1)
d, нм 102
101
100
100
101
а, мрад
Рис. 2. Зависимость диаметра электронного пучка й от угла сходимости пучка а для Е0 = 30 кэВ, АЕ = 1.5 эВ, Ссф = 60 мм, СХр = 40 мм, диаметр источника 20 нм, коэффициент уменьшения объектива 5: 1 - сферическая аберрация, 2 - хроматическая аберрация, 3 - диаметр источника, 4 - дифракция, 5 - диаметр пучка.
2 1/2 1/4
а = [ - b/6c + (b +12 ac) /6c ] .
ний (1) и (2) были получены оптимальные значения а и соответствующие ему минимальный диаметр пучка ймин и максимальный ток (макс [11, 13]:
й мин = 1.29 03/4[ 7.92( (Т/30) 109 + 1 ]3/8, (3)
''макс = 1.26(3о/Т)[(0.51 й) -1 ] 10-10, (4)
где 30 и Т - плотность тока эмиссии и температура катода электронной пушки соответственно, Ссф -коэффициент сферической аберрации объективной линзы.
Для системы с преобладанием влияния хроматической аберрации оптимальная апертура будет определяться следующим выражением [14]:
а = {0.325г/[Я(СХрД£/Е,)2]}1/4,
(5)
из которого легко получается минимальный размер пучка и зависимость тока пучка от его диаметра
dмин = [ 1.3i(C ДЕ/Е0)2/B]
1/4
/макс = 0.65 Bd (СХр Д Е/ Ео)"
(6)
В общем случае зависимость диаметра пучка от угла сходимости можно представить, заменив коэффициенты в (1) функцией вида й2 = аа-2 + Ьа2 + са6. Минимальный диаметр пучка будет достигаться при оптимальной апертуре, определяемой из выражения [12]:
(2)
В зависимости от апертуры пучка и разброса энергии электронов, эмиттируемых катодом, может преобладать влияние сферической или хроматической аберрации. Для электронно-литографической системы получение узкого электронного пучка не является самоцелью. Ее задача - проэкс-понировать рисунок с высоким разрешением в относительно толстом слое резиста на поверхности шаблона или полупроводниковой пластины. Из-за рассеяния электронов в резисте и отражения их от подложки разрешение систем электронной литографии определяется не столько диаметром зонда, сколько размером области экспонирования в резисте. Поэтому разрешение систем электронной литографии меньше, чем у сканирующих электронных микроскопов в
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.