СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ Российский патент 2003 года по МПК H01L21/263 

Изобретение относится к технологии создания рисунков с помощью заряженных частиц и может быть использовано при изготовлении различных электронных приборов, запоминающих устройств и т.д., имеющих сложные структуры, состоящие из множества сверхмалых элементов.

Известен способ формирования структуры (см. , например, патент РФ 2129294, G 03 F 9/00, 1999 /1/) в виде проводящего рисунка в диэлектрической матрице, который реализуется следующим образом. В камере технологической установки на подложкодержателе устанавливается подложка, на которую необходимо нанести рисунок, покрытая соответствующим радиационно-чувствительным материалом, который может быть выбран из числа известных. Камера вакуумируется до необходимого разрежения, отвечающего оптимальному режиму работы установки. Затем включается источник заряженных частиц. С помощью электронной (ионной) линзы (или системы линз) формируется пучок заряженных частиц с необходимой расходимостью. Заданное значение энергий частиц и их дисперсия по энергиям устанавливается вариацией режимов работы источника заряженных частиц. Сформированный таким образом пучок направляется на маску с изображением рисунка-оригинала, который нужно воспроизвести на подложке. Прошедший сквозь маску пучок приобретает пространственную модуляцию по интенсивности и несет информацию о всем рисунке. Затем он фокусируется на подложке с помощью электронной (ионной) линзы, где и фиксируется известным образом. В результате на подложке получается уменьшенное изображение рисунка с маски с высокой разрешающей способностью. Недостатком известного способа является его малая производительность. Это обусловлено тем, что для получения структуры с плотным размещением элементов необходимо формировать пучок ускоренных частиц с определенными параметрами, а при использовании таких пучков существенно возрастают сроки экспозиции. Кроме того, известный способ является весьма дорогостоящим. Это объясняется тем, что при осуществлении процесса формирования структуры используется дорогостоящий шаблон, материал которого постепенно разрушается под воздействием ускоренных частиц, что приводит к тому, что со временем создаваемый в структуре рисунок начнет отличаться от требуемого.

Данная проблема может быть решена, если вместо шаблона использовать относительно дешевые разовые маски - резисты. Технологии использования таким масок широко известны и хорошо отработаны. Например, в патенте США 5914977, кл. 372/50, 1999 /2/ описано по сути несколько таких способов, в которых для создания элементов структуры используют фотолитографию, электронно-лучевую литографию и различное травление - ионно-реактивное (сухое) или с помощью растворов различных кислот - винной, соляной, азотной, фосфорной и/или их смесей.

Наиболее простым и дешевым способом изготовления защитных масок представляется способ, известный из описания к патенту США 6309580, кл. 264/338, 2001 /3/. Известный способ предусматривает нанесение на заготовку обрабатываемого материала слоя резиста, выдавливание в нем с помощью матриц рельефного рисунка, состоящего из выступов и впадин и последующее вытравливание остатков резиста во впадинах. После того, как через образовавшиеся во впадинах окна проведут необходимые технологические операции по обработке заготовки, остатки резиста удаляют.

Однако данный способ изготовления масок не оптимален для его использования в совокупности со способом формирования структуры за счет селективного удаления атомов определенного сорта в обрабатываемом материале пучком ускоренных частиц с достижением максимальной плотности размещения элементов структуры, которую позволяет обеспечить известный из /1/ способ. Это объясняется следующими обстоятельствами. Большинство материалов, используемых в качестве защитных слоев (резистов), обладают большой длиной проективного пробега, что приводит к необходимости наносить эти слои с большой толщиной, чтобы они могли выполнять свою функцию, а именно защищать обрабатываемый материал от воздействия частиц в тех участках, где это необходимо. А это приводит к следующим последствиям. Во-первых, возникает так называемый теневой эффект - из-за того, что пучок ускоренных частиц получается расходящимся (а формировать параллельные пучки технологически трудно и/или дорого), то при большой глубине окон в резисте не все количество частиц, предназначенных для преобразования свойств обрабатываемого материала его достигнет. Часть из них будет поглощена стенками образованных в резисте окон - колодцев. Увеличение дозы для устранения этого явления приводит к искажению геометрической формы формируемых элементов структуры. Во-вторых, формирование в толстом слое резиста рельефного рисунка требует значительных объемов впадин в матрице для затекания туда прессуемого материала, а так как выступы в матрице выполняют скошенными, утолщающимися к основанию и уменьшающимися в сторону прессуемого материала, то это приводит к увеличению расстояния между выступами матрицы (или окнами в резисте), что снижает плотность размещения элементов структуры.

Заявляемый способ формирования структуры направлен на его упрощение, преимущественно за счет уменьшения толщины защитных слоев (резистов), необходимой для достижения повышенной плотности размещения элементов структуры.

Указанный результат достигается тем, что способ формирования структуры характеризуется тем, что наносят на подложку слой материала, преобразующего свои свойства под воздействием потока ускоренных частиц за счет удаления из него атомов одного сорта, поверх этого материала наносят не менее трех защитных слоев из разнородных материалов, один из которых, размещенный под верхним слоем, выполнен из материала, обладающего малой длиной проективного пробега для используемых ускоренных частиц, а суммарная толщина всех слоев, с учетом физического распыления, происходящего при воздействии частиц, превышает длину проективного пробега частиц в них, прессуют в верхнем слое рельефный рисунок, вытравливают ему соответствующий в нижележащих слоях, облучают заготовку потоком ускоренных частиц с параметрами, обеспечивающими селективное удаление атомов нужного сорта и удаляют защитные слои.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве материала, обладающего малой длиной проективного пробега, используют элементы Периодической таблицы с порядковым номером большим, чем 21, находящиеся при нормальных условиях в твердом состоянии.

Необходимость нанесения на обрабатываемый ускоренными частицами материал, как минимум, трех слоев разнородных материалов обусловлена следующими обстоятельствами. Верхний слой необходимо выполнять из легкодеформируемого пластичного резиста (как это описано в /3/), чтобы в нем можно было формировать требуемый рельефный рисунок с приложением небольших механических усилий. Выполнение второго (если считать сверху) слоя из материала, обладающего малой длиной проективного пробега для используемых ускоренных частиц позволяет уменьшить суммарную толщину всех слоев и при реализации заявленного способа избежать упоминаемого выше теневого эффекта, а, кроме того, снизить и толщину верхнего слоя, подвергаемого прессованию, что позволяет, как разъяснялось выше, повысить плотность размещения элементов структуры. Наличие третьего слоя необходимо для проведения операции "lift-off" - удаления всех защитных слоев с обработанной потоком частиц заготовки. Для облегчения этой операции третий слой выполняется, как правило, из резиста, для которого хорошо отработаны способы его удаления совместно с вышележащими слоями. Выполнение всех слоев с толщиной, превышающей длину проективного пробега выбранных для обработки частиц, необходимо для того чтобы исключить изменение свойств обрабатываемого материала в остальных, кроме вскрытых окон, участках. При этом, поскольку при обработке заготовки ускоренными частицами происходит и физическое распыление подвергшегося воздействию материала, суммарная толщина слоев должна учитывать и этот фактор.

Толщина всех слоев будет зависеть не только от вида выбранных частиц, но и от ряда параметров, характеризующих условия их использования (энергия, доза и т.п.) и может быть определена экспериментально, либо расчетным путем, либо использованием известных справочных данных. При этом, как показывают проведенные авторами расчеты и эксперименты, наиболее оптимальным (т.е. обеспечивающим минимальную толщину среднего слоя) практически для всех видов ускоренных частиц является использование в качестве материала с малой длиной проективного пробега элементов Периодической системы с порядковым номером более 21, находящихся при нормальных условиях в твердом состоянии.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и графическими изображениями, на которых схематично представлены основные стадии процесса.

Пример 1. В общем случае способ реализуется следующим образом. На подложку 1, изготовленную из подходящего для этой цели материала - стекла, металла, керамики и т.п., наносится слой 2 материала, способного преобразовывать свои свойства под воздействием ускоренных частиц за счет селективного удаления атомов определенного сорта. В качестве таких материалов могут использоваться оксиды, гидриды или нитриды металлов и др. При селективном удалении атомов неметаллов в обрабатываемом материале в подвергшихся облучению ускоренными частицами участках будет происходить преобразование диэлектрика в проводник, немагнитного материала в магнитный, прозрачного в непрозрачный и т.п. Затем на этот слой наносят как минимум три защитных слоя из разнородных материалов. Сначала наносят слой 3 из материала, легко удаляемого с помощью травителей. В качестве такого материала может быть использован LOL (фирмы Shipley) или PMGI или РММА. Затем на него наносят слой 4 материала, обладающего малой длиной проективного пробега для используемых для обработки частиц. Материал для этого слоя выбирают по справочным данным или расчетным путем или экспериментально. Наиболее оптимальным, как показывает опыт, является использование в качестве материала для этого слоя таких материалов, как олово, тантал, ванадий и других элементов Периодической системы с порядковым номером больше 21. После этого наносят третий, верхний защитный слой 5, который может быть выбран из числа известных, например, как указано в /3/, это может быть полиэстр, полиметилметакрилат и т.д. (чертеж, а). Затем с помощью матрицы, так же, как в /3/, в верхнем слое 5 прессованием выдавливают требуемый рисунок в виде рельефа - выступов и впадин (чертеж, в). После этого известными методами травления вскрывают окна в местах впадин на рельефном рисунке и подвергают заготовку воздействию потоком ускоренных частиц (чертеж, с). Вид частиц и их параметры (энергия, доза и т.п.) подбирают в зависимости от обрабатываемого материала. Выбор может осуществляться на основании расчета или на основании предварительно проведенных экспериментов. В качестве частиц могут использоваться протоны, электроны, ионы, атомы. В результате обработки частицами в участках 6 заготовки, не закрытых защитными слоями, произойдет преобразование свойств материала за счет селективного удаления атомов определенного сорта, т.е. в результате сформируется требуемая структура, например, из проводящих элементов в диэлектрической матрице или магнитных элементов в немагнитной матрице и т.п. После завершения обработки потоком частиц защитные слои удаляют известным образом. Например, сдергиванием - "lift-off" или травлением и готовая структура направляется на дальнейшую обработку.

Пример 2. На подложку из стекла размером 1•1 см был нанесен слой окиси кобальта (Сo₃O₄) толщиной 30 нм. Поверх него был нанесен слой резиста LOL толщиной 20 нм, затем слой тантала толщиной 15 нм, а поверх него слой полиметилметакрилата толщиной 40 нм. Полученную заготовку нагрели до 120^oС, чтобы верхний слой приобрел требуемую пластичность и с помощью пресса, снабженного соответствующей матрицей, выдавили на нем рельефный рисунок. После этого заготовку подвергли ионно-плазменному (реактивному) травлению, удалив участки впадин верхнего слоя и материал находящихся под ним защитных слоев. После этого заготовку подвергли обработке потоком протонов с энергией 1.5 кэВ в течение 3600 сек, что привело к удалению атомов кислорода в слое окиси кобальта так, что в подвергшихся обработке участках произошло превращение окиси кобальта в металлический кобальт. Затем защитные слои удалили. В результате была получена структура из магнитных (металлических) элементов в немагнитной (диэлектрической) матрице с размером 20•100 нм и расстоянием между элементами 30 нм.

Пример 3. На подложку из кремния размером 1•1 см был нанесен слой окиси меди (СuО) толщиной 20 нм. Поверх него был нанесен слой резиста PMGI толщиной 15 нм, затем слой тантала толщиной 10 нм, а поверх него слой полиметилметакрилата толщиной 30 нм. Полученную заготовку нагрели до 120^oС, чтобы верхний слой приобрел требуемую пластичность и с помощью пресса, снабженного соответствующей матрицей, выдавили на нем рельефный рисунок. После этого заготовку подвергли ионно-плазменному (реактивному) травлению, удалив участки впадин верхнего слоя и материал находящихся под ним защитных слоев. После этого заготовку подвергли обработке потоком ионов гелия с энергией 600 эВ в течение 1.5 час, что привело к удалению атомов кислорода в слое окиси меди так, что в подвергшихся обработке участках произошло превращение окиси меди в металлическую медь. Затем защитные слои удалили. В результате была получена структура из проводящих (металлических) элементов в непроводящей (диэлектрической) матрице с размером 25•80 нм и расстоянием между элементами 35 нм.

Пример 4. На подложку из стекла размером 1•1 см был нанесен слой окиси никеля (NiO) толщиной 30 нм. Поверх него был нанесен слой резиста LOL толщиной 20 нм, затем слой вольфрама толщиной 10 нм, а поверх него слой полиметилметакрилата толщиной 30 нм. Полученную заготовку нагрели до 120^oС чтобы верхний слой приобрел требуемую пластичность и с помощью пресса, снабженного соответствующей матрицей, выдавили на нем рельефный рисунок. После этого заготовку подвергли ионно-плазменному (реактивному) травлению, удалив участки впадин верхнего слоя и материал находящихся под ним защитных слоев. После этого заготовку подвергли обработке потоком протонов с энергией 1.2 кэВ в течение 40 мин, что привело к удалению атомов кислорода в слое окиси никеля так, что в подвергшихся обработке участках произошло превращение окиси никеля в металлический никель. Затем защитные слои удалили. В результате была получена структура из магнитных (металлических) элементов в немагнитной (диэлектрической) матрице с размером 30•100 нм и расстоянием между элементами 40 нм.

Использование: при изготовлении различных электронных приборов, запоминающих устройств и т.д., имеющих сложные структуры, состоящие из множества сверхмалых элементов. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии преимущественно за счет уменьшения толщины защитных слоев, необходимой для достижения повышенной плотности размещения элементов структуры. Сущность изобретения: способ формирования структуры характеризуется тем, что наносят на подложку слой материала, преобразующего свои свойства под воздействием потока ускоренных частиц за счет удаления из него атомов одного сорта, поверх этого материала наносят не менее трех защитных слоев из разнородных материалов, один из которых, размещенный под верхним слоем, выполнен из материала, обладающего малой длиной проективного пробега для используемых ускоренных частиц, а суммарная толщина всех слоев, с учетом физического распыления, происходящего при воздействии частиц, превышает длину проективного пробега частиц в них, прессуют в верхнем слое рельефный рисунок, вытравливают ему соответствующий в нижележащих слоях, облучают заготовку потоком ускоренных частиц с параметрами, обеспечивающими селективное удаление атомов нужного сорта и удаляют защитные слои. 1 ил.

Способ формирования структуры, характеризуемый тем, что наносят на подложку слой материала, преобразующего свои свойства под воздействием потока ускоренных частиц за счет удаления из него атомов одного сорта, поверх этого материала наносят три защитных слоя из разнородных материалов, при этом верхний выполняют из пластичного материала, слой, размещенный под верхним слоем, выполняют из материала, обладающего малой длиной проективного пробега для используемых ускоренных частиц и содержащего элементы Периодической таблицы с порядковым номером, большим 21, находящихся при нормальных условиях в твердом состоянии, третий слой выполняют из материала, обеспечивающего удаление его совместно с вышележащими слоями с тем, чтобы суммарная толщина всех слоев с учетом физического распыления, происходящего при воздействии частиц, превышала длину проективного пробега частиц в них, прессуют в верхнем слое рельефный рисунок, вытравливают ему соответствующий в нижележащих слоях, облучают заготовку потоком ускоренных частиц с параметрами, обеспечивающими селективное удаление атомов нужного сорта, и удаляют защитные слои.