СПОСОБ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛИТОГРАФИИ Российский патент 2012 года по МПК H01J37/73 

Изобретение относится к области электронных технологий, а именно к способам нанесения рисунков в технологии изготовления полупроводниковых устройств.

Существуют два основных способа формирования изображения при изготовлении микроэлектронных полупроводниковых устройств - это электронная и оптическая литографии. В настоящее время оптическая литография занимает лидирующее положение, но метод уже находится вблизи порога, за которым дальнейшее увеличение разрешения будет практически невозможно из-за большой длины волны используемого электромагнитного излучения, включая глубокий ультрафиолет, и экономически невыгодно.

Известен термоэмиссионный проекционный способ электронной литографии, в котором источником электронов является термоэмиссия катода-маски, и устройство, реализующее этот способ (Сатаров Г.Х., Котенев Б.И., Гаряева Г.О. и др. Электронно-проекционная установка // Материалы Всесоюзной конф. "Электронная литография и ее применение в микроэлектронике" - ЦНИИ Электроника, М.: 1976. - С.13-14.). Способ реализуется в технологической камере в которой установлены термокатод-маска, разные участки которого выполнены из материалов с различными коэффициентами вторичной термоэмиссии электронов, и анод, соединенный со слоем резиста, взаимодействующего с эммитируемыми маской электронами. С внешней стороны камеры установлена система коррекции изображения, воздействующая на эммитируемые маской электроны.

При нагреве катода-маски до рабочих температур, соответствующих термоэмиссии электронов (сотни градусов Цельсия), эммитируемые электроны ускоряются прикладываемым электрическим полем и засвечивают подложку с резистом Недостаток такого метода заключается в необходимости использования самой термоэмиссии электронов, что требует, во-первых, прецизионного соблюдения температурного режима по всей площади катода-маски (а это 300 мм в современных условиях и 450 мм в перспективе). Во-вторых, это приводит, при таких температурах, к неконтролируемому уходу размеров элементов изображения, что недопустимо в субмикронной технологии и, тем более, в нанотехнологии. К тому же, ввиду трудностей с обеспечением равномерного и прецизионного нагрева по всей площади катода, уход размеров в разных местах термокатода будет различным.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому способу является способ, проекционной электронной литографии на основе электронной фотоэмиссии (Пат. 4954717 США, МКИ⁵ Н01J 40/06 Photoelectron mask and photo cathode image projection method using the same / приор. 15.17.87). Способ основывается на использовании фотокатода-маски, на рабочей поверхности которого сформирован требуемый рисунок из материала, с высоким коэффициентом фотоэмиссии электронов. С обратной стороны катода-маски, прозрачного для ультрафиолетового излучения, катод облучается ультрафиолетовым излучением, а электроны вторичной электронной эмиссии ускоряются однородным электрическим полем и транспортируются к подложке с резистом, установленной на аноде, и ее засвечивают.

Основным недостатком этого способа является малый срок службы используемых катодов - не более 5-10 экспозиций. Это объясняется тем, что материалы, используемые в качестве фотоэмиттеров весьма чувствительны к атмосфере остаточных газов и различных загрязнений, неизбежно присутствующих в колонне Электронолитографической установки и отравляющих фотокатод. Материалы, позволяющие использовать данный способ в практических целях, к настоящему времени неизвестны.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка способа электронной литографии для больших интегральных схем с большим сроком службы фотокатода-маски.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый способ электронной литографии, так же как и известный, осуществляют путем переноса изображения с катода-маски электронами вторичной электронной эмиссии на резист, подложка которого соединена с анодом. Но, в отличие от известного, в предлагаемом способе катод-маску выполняют из материалов с различными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии, анодно-катодный промежуток заполняют инертным газом или аргоном и в прикатодной области создают тлеющий разряд за счет установки дополнительного электрода, электрически соединенного с анодом, причем величины давления инертного газа и напряжения выбирают из условия создания вторичной ионно-электронной эмиссии с обоих материалов катода-маски.

Достигаемый технический результат - увеличение числа экспонирований предлагаемым способом без замены катода-маски.

Время использования катода-маски увеличивается за счет использования тлеющего разряда, при котором время для экспонирования резиста сокращается до 10^-3-10^-4 сек, т.е. на несколько порядков меньше, чем в известном способе электронной литографии на основе фотоэмиссии. Это приводит к необходимости уменьшения рабочего тока.

Для увеличения четкости изображения следует выбирать материалы с разницей в коэффициентах вторичной ионно-электронной эмиссии как можно большей.

Совокупность признаков, сформулированных в пункте 2 формулы полезной модели, характеризует способ электронной фотолитографии, в котором давление рабочего газа (инертного газа или аргона) выбирают в пределах 1,33-13,3 Па.

В основе работы устройства лежат следующие физические процессы.

Между катодом и вспомогательным электродом в рабочей камере зажигается высоковольтный разряд. Положительные ионы, образованные в разряде, пересекают границу области катодного падения напряжения, ускоряются в этой области и бомбардируют катод-маску, изготовленную из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ). В результате различия КВИЭЭ для различных участков поверхности катода-маски электронный поток промодулирован по плотности, т.е. распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать заданной топологии. Чем больше различие в КВИЭЭ, тем больше будет контраст в засветке различных участков подложки.

Ускоренные в прикатодном слое электроны пересекают газоразрядный промежуток, испытывая малое число упругих и неупругих соударений с атомами рабочего газа. Электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста, формируя в резисте скрытое изображение. Магнитное поле может использоваться для поворота, масштабирования и совмещения изображения. Высоковольтный тлеющий разряд характеризуется относительно большой плотностью тока и областью с высоким падением напряжения, в которой электроны ускоряются до энергий, необходимых для инициации физико-химических превращений в материале резиста. Наиболее существенной характерной чертой высоковольтного тлеющего разряда является нерассеянная компонента электронов высоких энергий, которая может быть использована для переноса изображения в электронах. Проблема заключается в модуляции электронного потока по плотности тока в соответствии с графикой переносимого изображения, что может быть реализовано за счет различия в КВИЭЭ с разных участков катода в установке с высоковольтным тлеющим разрядом. В настоящее время известны материалы с различием КВИЭЭ более чем на порядок, из которых может быть сформирована рабочая пара. КВИЭЭ для монокристаллических диэлектриков более чем в десять раз превышает эмиссию с чистых металлов. Такая разница в эмиссионных свойствах позволяет гарантированно обеспечить необходимый контраст в современных электронорезистах и обеспечить перенос изображения с катода-маски,

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведен пример выполнения устройства, в котором может быть реализован предлагаемый способ электронной литографии; на фиг.2 показана зависимость КВИЭЭ от энергии ионов рабочего газа; на фиг.3 и 4 приведены вольтамперные характеристики тлеющего разряда в зависимости от давления и положения дополнительного электрода относительно катода.

Устройство для электронной литографии содержит технологическую камеру 1, в которой расположены катод-маска 2, анод 3, вспомогательный электрод 4 с отверстием 5, электрически соединенный с анодом. Дополнительный электрод обеспечивает создание тлеющего разряда. Снаружи технологической камеры установлена электромагнитная система 6 в виде катушек, длина которых больше толщины. На аноде 3 размещают подложку со слоем резиста 7. Катод-маска 2 выполнен из материалов с различным коэффициентом вторичной ионно-электронной эмиссии (КВИЭЭ).

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На катоде-маске 2 методом, например, электронной литографии остросфокусированным пучком нанесен рисунок изображения, которое необходимо получить на подложке. Материалы монолита катода и эммитирующего слоя рисунка подбираются с максимальной разницей КВИЭЭ, за счет чего обеспечивается максимальная модуляция электронного потока по плотности. На фиг.2 приведен график, иллюстрирующий зависимость КВИЭЭ от энергии рабочего газа - водорода для материалов: чистый молибден (1), монокристалл KBr (2) и керамика (3), из которых видно, что наибольшую разницу, примерно на порядок, в величинах КВИЭЭ имеют монокристалл KBr и молибден. Камера 1 откачивается до максимально возможного вакуума и в нее напускается рабочий газ, например Аr, до давления 1,33-20 Па в зависимости от условий эксперимента. При выборе газа следует руководствоваться следующими соображениями. Инертные газы и аргон обеспечивают безопасность работы. Водород достаточно агрессивен, в смеси с кислородом образует гремучий газ, но он обладает малой массой, что позволяет более точно управлять параметрами процесса. Малые величины давления выбирают для тех случаев, когда требуется большое время экспозиции. Оно увеличивается за счет снижения эффективности тлеющего разряда. С повышением давления эффективность разряда увеличивается. На фиг.3 и 4 приведены вольтамперные характеристики тлеющего разряда в зависимости от давления и положения дополнительного электрода относительно катода, где d - расстояние дополнительного электрода от катода; р - давление рабочего газа. Требуемые параметры тлеющего разряда выбирают путем выбора величин рабочего напряжения, давления рабочего газа, положения дополнительного электрода 4 относительно катода-маски 2.

Между катодом-маской 2 и вспомогательным электродом 4 зажигается высоковольтный тлеющий разряд и положительные ионы, образованные в разряде, пересекают границу области катодного падения напряжения, ускоряются в этой области и бомбардируют катод-маску. В результате различия КВИЭЭ для разных участков поверхности катода-маски распределение плотности тока вторичных электронов в сечениях, параллельных поверхности катода, будет соответствовать рисунку изображения. Быстрые электроны бомбардируют обрабатываемую подложку со слоем резиста 7, формируя в резисте скрытое изображение. Поскольку изображение каждой точки получается на той же силовой линии, на которой лежит сама точка источника заряженных частиц, а все силовые линии в однородном магнитном поле параллельны друг другу, изображение источника будет совпадать по величине с самим источником. Контраст изображения определяется главным образом соотношением коэффициентов ионно-электронной эмисссии различных участков поверхности катода, а также отношением плотностей токов быстрых и медленных электронов, поступающих на резист.

Расчеты и эксперименты показывают следующие результаты. При плотностях тока высоковольтного тлеющего разряда 10^-2-10^-3 А/см² в системе ионно-электронной литографии для экспонирования резиста типа ПММА требуется время порядка 10^-3-10^-4 сек, что в 10³-10⁴ раз меньше, чем потребное время экспозиции в системе проекционной электронной литографии. Это приводит к необходимости уменьшать рабочие токи.

Заметное распыление катода (на глубину порядка 50 нм) и искажение рисунка при реализации предлагаемого способа начинают проявляться не ранее, чем через 10⁵ экспозиций, что на 2-3 порядка превышает число допустимых экспозиций в системе проекционной электронной литографии.

Способ электронной литографии относится к способам нанесения рисунков в технологии изготовления полупроводниковых устройств. Способ реализуется путем переноса изображения с катода-маски электронами вторичной электронной эмиссии на резист, подложка которого соединена с анодом. Особенностью является то, что технологическую камеру заполняют рабочим газом, в прикатодной области создают тлеющий разряд за счет использования дополнительного электрода, электрически соединенного с анодом. При этом катод-маску выполняют из материалов с разными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии. Параметры тлеющего разряда выбирают из условия существования вторичной ионно-электронной эмиссии с обоих материалов катода-маски. Технический результат - повышение срока службы катода-маски. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ электронной литографии путем переноса изображения с катода-маски электронами вторичной электронной эмиссии на резист, подложка которого соединена с анодом, отличающийся тем, что катод-маску выполняют из материалов с различными коэффициентами вторичной ионно-электронной эмиссии, анодно-катодный промежуток заполняют инертным газом и в прикатодной области создают тлеющий разряд за счет установки дополнительного электрода, электрически соединенного с анодом, причем величины давления инертного газа, положения дополнительного электрода и напряжения выбирают из условия создания вторичной ионно-электронной эмиссии с обоих материалов катода-маски.

2. Способ электронной литографии по п.1, отличающийся тем, что величину давления рабочего газа выбирают в пределах 1,33-20 Па.