ТЕРМОСТАБИЛЬНАЯ МЕТКА СОВМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛИТОГРАФИИ Российский патент 2021 года по МПК H01L21/18 G03F1/20 

Изобретение относится к технологии изготовления мощных и СВЧ нитрид-галлиевых транзисторов на кремниевой подложке и интегральных схем на их основе, а именно к технологии изготовления меток совмещения для электронной литографии и фотолитографии.

Приборы на основе гетероструктур нитрида галлия вот уже несколько десятилетий успешно и активно развиваются, находят широкое применение вплоть до замены кремниевых полупроводниковых приборов различного применения, включая, прежде всего, мощные СВЧ приборы, а теперь уже и силовые транзисторы, и преобразовательные модули. Для удешевления процесса изготовления GaN транзисторов и интегральных схем применяются кремниевые подложки большого диаметра. Топология мощного транзистора имеет сложный многопальцевый вид, а затвор, как правило, смещен к истоку транзистора для увеличения пробивного напряжения. Поэтому успешность создания GaN транзисторов во многом определяется качеством применяемых литографических технологий.

Одна из проблем, влияющих на точность формирования рисунка электронной литографии, - точность совмещения шаблона и приборных структур на пластине. Это особенно актуально для технологических маршрутов с большим числом литографических операций. Процесс совмещения включает в себя сканирование меток совмещения на подложке и наблюдение за результирующими сигналами обратного рассеяния для определения относительного положения электронного луча и структур, уже находящихся на подложке.

Для изготовления меток электронной литографии обычно выбирают тяжелый металл с высоким атомным весом (Au, W и др.), чтобы улучшить соотношение сигнал/шум при детектировании отраженных электронов. В патентах [1] и [2] описываются конструкции меток на основе золота (AuGe/Ni/Au и Ti/Au). Для повышения адгезии метки к приборной структуре применяется тонкий подслой из титана или соединения золота с германием. Подобные конструкции очень широко используются в полупроводниковой промышленности.

В патенте [3] описывается технология изготовления контакта к GaN с помощью испарения и последующего нанесения последовательных слоев гафния и золота и затем, по меньшей мере, частично сплавления этих металлов с помощью отжига. Слой гафния имеет толщину от 50 до нескольких сотен ангстрем, слой золота - от 300 до 10000 ангстрем, располагаясь поверх гафния. Эта слоистая металлическая структура затем отжигается при температуре 550°С в течение 5-10 минут или при температуре 700°С в течение 0,5-1 минуты. Альтернативно, метка может быть сформирована с помощью технологии, в которой сначала создается сплав золота и гафния с последующим испарением и осаждением на слой GaN. Хотя точное соотношение гафния и золота не является критическим для изобретения, оно обычно может находиться в диапазоне от 1:5 до 1:200 по объему, причем точное соотношение выбирают в зависимости от требуемых электрических и термических свойств готового устройства.

У золота, как материала для изготовления метки для электронной литографии, есть определенные недостатки. Во-первых, это высокая цена. Во-вторых, температура плавления золота равна 1063°С и понижается при наличие примесей. Если по технологическому маршруту предусмотрены высокотемпературные операции, такие как термическое окисление или эпитаксиальное наращивание, то возможно оплавление золота с последующей термической диффузией метала и загрязнением приборных слоев. Также следует отметить, что в технологии изготовления GaN транзисторов применяют высокотемпературный отжиг омических контактов на основе Ti/Al/Ni/Au для сплавления и понижения удельного сопротивления. Температура отжига находится в диапазоне 800-1000°С (патент [4]). В этом случае золото оплавляется и собирается в капли по краю метки. Возникает неровность поверхности и края метки. Получаемое изображение размывается. Хотя новая метка может быть записана вместе с существующим шаблоном для использования на следующем технологическом этапе, желательно повторно использовать исходные метки, где это возможно, поскольку каждая новая записанная метка будет иметь дополнительную ошибку позиционирования. В то же время от точности совмещения зависят ВЧ и НЧ характеристики GaN транзистора и надежность источников питания на их основе.

В работе [5] обсуждается многослойный контакт Hf/Al/Ta к гетероструктуре In_0.18Al_0.82N/GaN. Тантал является металлом с большой атомной массой и может использоваться в качестве меток для электронной литографии. Элементный анализ показал, что при нагреве до 450°С гафний (Hf) вступает в химическую реакцию с материалом подложки и алюминием с образованием HfN и сплава Hf-Al. Температура плавления алюминия - 660°С. При нагреве до высоких температур алюминий собирается в капли, из-за этого нарушается морфология поверхности трехслойной металлической конструкция Hf/Al/Ta.

В патенте [6], выбранном нами за прототип, описываются метки, состоящие из слоев титана (Ti) и платины (Pt) толщиной 6 и 100 нм, соответственно. Температура плавления платины - 1768,3°С. Т.е. предложенная метка способна выдерживать высокотемпературные операции (например, сильный отжиг при температуре более 800°С) без существенной деформации и изменения морфологии поверхности.

Задачей настоящего изобретения является увеличение интенсивности и уменьшение размытия потока электронов, отраженных от метки совмещения при проведении электронной литографии после технологических операций в температурном диапазоне 800-1000°С.

Интенсивность и размытие потока отраженных электронов определяются качеством морфологии и ровностью края поверхности метки, т.к. гладкая поверхность отражает больше электронов под фиксированным углом. Когда электронный луч сканируется поверхность пластины через край или ступеньку, генерируется электрический сигнал. При неровной поверхности в детектируемом сигнале уменьшается отношение сигнал/шум, увеличивается ошибка неопределенности обнаружения, и метка становится плохо различимой.

Для обеспечения стабильности формы и морфологии меток совмещения при температурах в диапазоне 800-1000°С, а также для уменьшения стоимости технологического процесса предлагается конструкция меток на основе гафния. Атомная масса гафния (178 а. е. м.) сопоставима с атомной массой золота (197 а. е. м.) и платины (195 а. е. м.), применяемых в существующих инженерных решениях.

Конструкция метки показана на фиг. 1, где 1 - приборная гетероструктура, 2 - адгезионный подслой молибдена (Мо) толщиной до 50 нм, 3 - слой гафния (Hf) толщиной 50-100 нм.

Слой молибдена применяется в качестве подслоя пленки гафния, т.к. по сравнению с титаном, применяемым в прототипе, молибден имеет более высокую теплопроводность (139 Вт/мК), более низкий коэффициент диффузии (6.7×10^-73 м²/с при 300 К) и более стабильные химические свойства. Низкий коэффициент диффузии уменьшает загрязнение подложки материалами метки. Высокая температура плавления молибдена (2623°С) обеспечивает стабильность формы меток при высокотемпературной обработке.

Толщина адгезионного подслоя определяется возможностями имеющегося технологического оборудования по созданию тонких однородных пленок и не должна превышать 50 нм. При большей толщине металла может происходить деформация фоторезистивной маски и, как следствие, края метки из-за разогрева поверхности подложки при изготовлении метки.

Верхний слой гафния (3) за счет его высокой атомной массы обеспечивает большое количество обратноотраженных электронов для системы регистрации меток в установке электронно-лучевой литографии, а его высокая температура плавления (2233°С) также позволяет добиться сохранения формы и морфологии меток при термообработке подложки.

Толщина слоя гафния подбирается в соответствии со спецификацией имеющегося технологического оборудования из условия наилучшего детектирования метки и составляет, как правило, от 50 до 100 нм. При этом в одном процессе напыления осаждается не более 50 нм гафния, так как при большей толщине металла может происходить деформация фоторезистивной маски из-за разогрева поверхности подложки. Между процессами напыления выдерживается пауза не менее 20 минут для охлаждения вакуумной камеры.

Для проведения измерений интенсивности и размытия потока отраженных электронов был изготовлен массив меток совмещения в форме креста и золотосодержащий контакт квадратной формы. Использовалась нитрид-галлиевая гетероструктура на кремниевой подложке. Металлы осаждались методом электроннолучевого напыления после подготовки поверхности пластины посредством обработки в кислородной плазме и обработки в водном растворе соляной кислоты. Фотография меток и контакта после операции термического отжига в диапазоне температур 800-1000°С приведена на фиг. 2. Из фотографий видно, что изменение формы и морфологии меток незначительно. В то же время поверхность контакта стала неровной и покрыта каплями оплавленного металла. После нескольких операций нагрева интенсивность и размытие потока отраженных электронов достаточны для уверенного обнаружения меток системой регистрации меток в установке электронно-лучевой литографии.

Источники информации:

1. Патент США US 6118128А.

2. Патент КНР CN 101383268B.

3. Патент США US 6262440.

4. Патент РФ RU 2315389.

5. Y. Liua and el. Mechanisms of Ohmic Contact Formation and Carrier Transport of Low Temperature Annealed Hf/Al/Ta on In0.18Al0.82N/GaN-on-Si // ECS J. Solid State Sci. Technol., 4, 2, 2015.

6. Патент КНР CN 100495216 - прототип.

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к технологии формирования GaN транзисторов различного назначения (мощных и СВЧ транзисторов) и, в частности, к созданию термостабильных меток совмещения, подходящих для электронной литографии и фотолитографии. Для обеспечения высокой интенсивности и низкого размытия потока отраженных электронов после проведения технологических операций при температурах в диапазоне 800-1000°С, а также для уменьшения стоимости технологического процесса предлагается конструкция меток на основе гафния. Метка состоит из двух слоев металлов: молибдена (Мо) толщиной до 50 нм и гафния (Hf) толщиной 50-100 нм. Использование подслоя молибдена улучшает адгезию меток совмещения к поверхности гетероструктуры, а высокие температуры плавления применяемых металлов обеспечивают сохранение формы и морфологии меток при термообработке подложки. 2 ил.

Термостабильная метка совмещения для электронной литографии, выполненная в виде двухслойного металлического возвышения над поверхностью полупроводниковой гетероструктуры, отличающаяся тем, что в качестве адгезионного подслоя используется слой молибдена (Мо) толщиной до 50 нм, а в качестве основного металла слой тугоплавкого гафния (Hf) толщиной 50-100 нм.