СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИЗОБРАЖЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК H01L21/312 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано при формировании электронным лучом микроизображений в слое электронорезиста, нанесенного на подложку из любого применяемого в микроэлектронике материала.

Известен способ формирования микроизображений электронным лучом в слое электронорезиста, включающий нанесение электронорезиста на подложку, его облучение и проявление скрытого изображения. Набор дозы облучения осуществляется за счет фиксации позиции электронного луча в конкретных координатах в течение времени, необходимого для разpушения (сшивания) межмолекулярных связей в слое электронорезиста [1].

Такой способ формирования микроизображений имеет низкую производительность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ формирования микроизображений, включающий программно-управляемое облучение электронорезиста электронным лучом прямоугольного сечения и проявление скрытого изображения [2].

Согласно известному способу достигается высокая скорость формирования изображений за счет использования электронных штампов большой площади.

Тем не менее, производительность способа существенно ограничивается, так как разогрев электронорезиста в процессе облучения штампами большой площади обуславливает использование электронного луча, плотность тока которого значительно ниже максимально возможной для данного типа используемой электронно-лучевой установки (ЭЛУ).

Целью предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса формирования микроизображений за счет оптимизации термических условий облучения электронорезиста при максимальной плотности тока электронно-лучевой установки.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе, включающем программно-управляемое последовательное облучение электронорезиста серией штампов, размер которых определяется площадью сечения электронного луча в плоскости фокусировки, и проявление скрытого изображения, облучение каждого из штампов, составляющих топологический рисунок, осуществляют за К циклов, определяемых, исходя из условия:
≅ K < где D_о - доза облучения, обеспечивающая формирование скрытого изображения для данного типа электронорезиста, мкКл/см²;
D_max - максимально возможная доза облучения, не приводящая к термическим разрушениям при выбранной площади штампа, мкКл/см²;
I - максимально достижимая плотность тока луча данной электронно-лучевой установки, А/см²;
τ_y - время формирования и позиционирования штампа, мкс.

Кроме того, если топологический рисунок включает участки, отличные от прямоугольных, то поставленная цель достигается за счет выбора при осуществлении заявляемого способа максимальной площади штампа S_max из условия
+ K _→ min где N(S_max) - количество штампов, необходимых для заполнения данного топологического рисунка при ограничении площади используемых штампов величиной S_max;
τ_o - время набора полной дозы облучения τ_o=
N_o - количество штампов при максимально возможной для данной ЭЛУ площади штампа.

Как известно, время облучения резиста одним штампом
τ_o= (1) где D_о - доза облучения электронорезиста, необходимая для полного разрушения (или сшивания, в зависимости от типа электронорезиста) всех межмолекулярных связей по всей толщине слоя электронорезиста, мкКл/см²;
I - плотность тока электронного луча, А/см².

Время, затрачиваемое на создание скрытого изображения в слое электронорезиста без учета технологических параметров, практически постоянных для конкретного микроизображения, выражается формулой
τ= (τ_o+τ_y) N(H) (2) где τ_y - время на формирование и позиционирование штампа, мкс;
N(H) - количество штампов, на которые разбивается топологический рисунок при выбранном характерном размере штампа Н.

Используя моделирование процесса разогрева электронорезиста в процессе облучения по модели, разработанной авторами и описанной в [3] можно рассчитать температуру на поверхности подложки для различных режимов облучения, характери- зующихся дозой облучения, плотностью тока и площадью штампов, на которые разбивается топологический рисунок.

Экспериментально были определены режимы облучения, приводящие к разогреву электронорезиста до критической температуры (Т_к), при которой наблюдаются температурные искажения. Зависимость плотности тока луча и дозы облучения при условии постоянства критической температуры представлена в табл.1.

Режимы облучения электронорезиста ЭРП-40, соответствующие Т_к = 577^оС
I_max - максимальная плотность тока, допустимая для конкретных значений дозы облучения при площади штампа 6х6 мкм², ограниченная критической температурой разогрева электронорезиста.

Подставим выражение (1) или τ_o в формулу (2)
τ = + N(H) (3)
Высокая плотность тока, соответствующая изотерме малых доз, и аддитивность энергии, поглощаемой слоем электронорезиста, дают возможность существенного ускорения процесса формирования скрытого изображения в случае, если набор дозы облучения каждого элемента будет осуществляться малыми порциями при высокой плотности тока луча и обеспечения достаточного для остывания времени между порциями. При этом время, необходимое для остывания резиста, должно использоваться для облучения других элементов топологического рисунка.

При существенном уменьшении вклада члена в выражении (3) возрастает суммарное время, затрачиваемое на формирование и позиционирование штампов. Таким образом, выражение (3) приобретает вид
τ = + KN(H) (4) где К - количество порций дозы.

Из вышеприведенного следует, что пока соотношение τ_o>>τ_yсправедливое для способа-прототипа, не изменится в такой степени, когда аналогичное ему соотношение, справедливое для предлагаемого способа (4), примет вид = K·τ_y, повышение плотности тока луча будет приводить к снижению времени, затрачиваемого на создание скрытого изображения в слое электронорезиста, τ .

Зависимость величины количества штампов N, составляющих топологический рисунок, от значения ограничения на характерный размер штампа Н представлена в табл. 2, где в качестве примера приведено формирование одного из слоев СБИС ОЗУ1М в масштабах 10:1; 5:1 и 1:1 электронным лучом квадратного сечения.

Способ иллюстрируется фиг.1 и 2.

На фиг. 1 показан график, построенный на основе табл.2, где 1 - кривая для изображения в масштабе 1:1, 2 - кривая для изображения в масштабе 5:1, 3 - кривая для изображения в масштабе 10:1.

Из графика следует, что снижение максимального размера штампа, используемого при формировании топологического рисунка, в диапазоне от 6 до 3 мкм не приводит к существенному росту количества штампов. В то же время, моделирование процесса разогрева электронорезиста в процессе облучения указывает на возможность использования высокой плотности тока электронного луча при снижении площади используемых штампов. Способ иллюстрируется табл.3.

На фиг.2 показан график, построенный на основе табл.2, на котором изображено семейство кривых I/I_o(H), соответствующих различным дозам облучения, а именно: кривая 1 соответствует дозе DO = 0,00005 Кл/см², кривая 2 соответствует дозе D = DO/2 = 0,000025 Кл/см², кривая 3 соответствует дозе D = DO/3 = 0,0000175 Кл/см², кривая 4 соответствует дозе D = DO/4 = 0,0000125 Кл/см².

Из сопоставления графиков (фиг. 1 и фиг.2) видно, что в определенном диапазоне размеров штампов крутизна кривых роста плотности тока луча (фиг. 2) превышает крутизну кривых роста числа штампов (фиг.1). Следовательно, дополнительно к разделению дозы облучения на порции можно достичь сокращения времени, затрачиваемого на создание скрытого изображения в слое электронорезиста за счет оптимального выбора площади сечения электронного луча в плоскости фокусирования. При этом должно выполняться условие
+ K __→ min
Предлагаемый способ реализован при использовании вычислительного комплекса "Кулон-4" так, что управляющая информация для ЭЛУ ZBA-20 обеспечивает многократное облучение каждой фигуры топологии пониженной дозой с интервалом времени между повторными облучениями, достаточными для охлаждения электронорезиста в зоне облучения.

Для осуществления заявляемого способа используют луч произвольного сечения. Это обусловлено тем обстоятельством, что изменение дозы непрерывного облучения однозначно отражается на смещении изотерм (фиг.2) для штампов любой формы (см. пример 3).

П р и м е р 1. Проводят экспонирование позитивного электронорезиста марки ЭРП-40, нанесенного на стеклянную хромированную подложку слоем толщиной 0,6 мкм на ЭЛУ ZBA-20.

Формируется изображения топологического рисунка ОЗУ 1М в масштабе 5:1. Практически максимально достижимая плотность тока луча электронно-лучевой установки I = 2,8 А/см². Чувствительность электронорезиста или доза облучения, обеспечивающая формирование скрытого изображения для данного типа электронорезиста D_o = 50 мкКл/см². Время формирования и позиционирования штампа 50 установки τ_y = 2 мкс. С помощью модели разогрева электронорезиста в процессе облучения установлено, что при формировании изображения способом-прототипом (I = 0,735 А/см²; S_max = 6х6 мкм²; К = 1) температура электронорезиста в любой точке топологического рисунка не превышает Т_к = = 577^оС. Та же модель дает возможность оценить максимально возможную дозу облучения, не приводящую к превышению указанной Т_к при I = 2,8 А/см² и различных значениях ограничений на площадь используемых штампов S_max. В частности, при S_max = 6х6 мкм², D_max = 10 мкКл/см², т.е. доза облучения, обеспечивающая формирование скрытого изображения D_o, в данном случае может быть набрана за К = 5 циклов, при S_max = 4х4 мкм², D_max = 17,5 мкКл/см² и тогда К=3 и т.д.

В соответствии с формулой изобретения диапазон изменений значений К имеет следующие пределы
= = 1 ≅ K
= = = 9 > K
Таким образом, увеличение скорости формирования изображения может быть достигнуто, в данном случае, при разделении дозы облучения D_о на порции, количество которых может быть выбрано из диапазона от 2 до 8. Поскольку максимальный размер штампа установки S_max = 6х6 мкм², а плотность тока луча не может быть выше I = 2,8 А/см², то использование К > 5 не имеет смысла.

Сравнительная характеристика эффективности способов формирования изображения при различных вариантах сочетания значений К и S_maxприведена в табл.4.

Как видно из таблицы, любой из вариантов разделения дозы облучения на порции в соответствии с п. 1 формулы изобретения приводит к увеличению скорости формирования изображения описанного вначале топологического рисунка.

П р и м е р 2. В тех же условиях, что и в примере 1 формируется изображение топологического рисунка слоя поликремния ОЗУ 1М в масштабе 1:1. Сравнительная характеристика эффективности способов формирования изображений для этого случая приведена в табл.5.

Как видно из таблицы, максимальный коэффициент увеличения скорости формирования изображения достигается при S_max = 3х3 мкм² и К = 2.

Легко показать, что в соответствии с п.2 формулы изобретения именно при этих значениях параметров выполняется условие минимизации выражения:
+ K
В частности, для варианта I
+5 = 13,8
для варианта 2
+4 = 13,28
для варианта 3
+3 = 12,26
для варианта 4
+2 = 11,57
для варианта 5
+1 = 13,21
Несмотря на кажущуюся незначительность выигрыша в скорости формирования изображения от оптимизации параметров облучения эффект тем не менее представляется существенным, когда расчет ведется с учетом общего количества модулей на пластине. В частности, приведенные в табл.5 данные относятся к случаю формирования изображения одного модуля СБИС в масштабе 1:1. Если на пластине надо расположить 120 модулей, то время, необходимое для формирования изображения всей пластины только при выполнении условия п.2 формулы изобретения, сократится на
120 × (6,12-5,16) = 115,2 мин 2 ч
Общий же выигрыш от использования заявляемого способа составит
120х(15,42 - 5,16) = 1231,2 мин.

П р и м е р 3. Топологический рисунок фотошаблона слоя поликремния СБИС емкостью 1 Мбит в масштабе 5:1 формируется в слое электронорезиста ЭРП-40 на стеклянной хромированной пластине. Используется ЭЛУ с круглым сечение луча. Максимальный диаметр луча - 1 мкм, чувствительность электронорезиста D_o = 45 мкКл/см².

При формировании изображения по способу-прототипу условие непревышения критической температуры электронорезиста (Т_к = 577^оС, определена на основе модели [3] ) выполняется при плотности тока электронного луча меньше 17 А/см². Время формирования микроизображения топологии фотошаблона в этом случае составляет 32,68 минут. Максимально достижимое значение плотности тока электронного луча в данной ЭЛУ - 740 А/см².

При формировании изображения согласно предлагаемому способу, устанавливается плотность тока электронного луча I = 740 А/cм², диаметр луча 0,25 мкм. Набор полной дозы облучения электронорезиста осуществляется за 3 цикла. Время формирования заданного топологического рисунка 18,43 мин.

Увеличение производительности в 1,77 раза.

П р и м е р 4. Формирование изображения фотошаблона металлизации СБИС ДОЗУ 1 Мбит в масштабе 5:1 выполняется в слое негативного электронорезиста ЭРН-14С на ЭЛУ ZBA-21. Критическая температура для данного электронорезиста, определенная по [3], составляет 307^оС.

При осуществлении способа-прототипа используются следующие режимы: I = 0,6 А/см², максимальный размер штампа 6х6 мкм², доза облучения 2,5 ˙ 10^-6 Кл/см². Время формирования скрытого изображения фотошаблона составляет 1 ч 52,4 мин.

При формировании изображения предлагаемым способом устанавливается максимально достижимая для данной ЭЛУ плотность тока электронного луча 3 А/см². набор полной дозы облучения осуществляется за 4 цикла при максимальном размере штампа 4х4 мкм². Время формирования скрытого изображения составляет 39,4 мин.

Увеличение производительности в 2,85 раза.

Таким образом, использование изобретения обеспечивает по сравнению с известными способами повышение произво- дительности процесса формирования микроизображений за счет оптимизации термических условий облучения при максимальной плотности тока используемой электронно-лучевой установки в 2-3 раза, при этом способ может быть реализован на ЭЛУ с произвольным сечением луча, для любых типов подложек и электронорезистов, и без ограничений на вид топологического рисунка.

Назначение: технология микроэлектроники. Сущность изобретения: экспонирование слоя электронорезиста (ЭР) на подложке осуществляют электронным лучом произвольного сечения серией электронных штампов (Ш) за несколько циклов. Набор оптимальной фазы облучения осуществляется малыми порциями при высокой плотности тока луча и обеспечении достаточного для остывания ЭР, используется для облучения других элементов топологического рисунка. Повышение плотности тока луча приводит к снижению времени, затрачиваемого на облучение, несмотря на увеличение общего числа Ш. Дополнительно к разделению, дозы облучения на порции достичь сокращения времени облучения можно за счет оптимального выбора площади сечения луча в плоскости фокусировки. Приведены выражения для расчета оптимальной площади Ш и количества циклов облучения исходя из параметров ЭР и электронно-лучевой установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

1. СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИЗОБРАЖЕНИЙ электронным лучом, включающий программно управляемое последовательное облучение слоя электронорезиста серией электронных штампов, составляющих топологический рисунок, и проявление скрытого изображения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности способа путем оптимизации термических условий облучения при максимальной плотности тока луча, облучение электронорезиста каждым из электронных штампов осуществляют за K циклов, определяемых из условия

где D₀ - доза облучения, обеспечивающая формирование скрытого изображения для данного электронорезиста, мкКл/см²;
D_max - максимально возможная доза облучения, не приводящая к термическим разрушениям электронорезиста при выбранной площади электронного штампа, мкКл/см²;
I - максимально достижимая плотность тока луча, А/см²;
τ_y - время формирования и позиционирования электронного штампа, мкс. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что максимальную площадь электронного штампа выбирают из условия минимизации выражения

где N(S_max) - количество электронных штампов, необходимых для заполнения данного топологического рисунка при ограничении площади используемых электронных штампов величиной S_max;
N₀ - количество электронных штампов при максимально возможной площади электронного штампа;

время набора полной дозы облучения, мкс.