СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИЗОБРАЖЕНИЙ Советский патент 1995 года по МПК G03F7/20 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано при изготовлении фотошаблонов сверх больших интегральных схем (СБИС), а также самих СБИС методом прямой электронолитографии по полупроводниковой пластине.

Целью изобретения является повышение производительности процесса формирования изображения топологических рисунков СБИС за счет обеспечения оптимизации термических условий облучения при максимальной плотности тока используемой электронно-лучевой установки (ЭЛУ).

Поставленная цель достигается тем, что в способе формирования микроизображений, включающем программно-управляемое последовательное облучение электронорезиста электронным лучом в виде прямоугольных штампов, размер которых определяется максимальной площадью сечения луча в плоскости фокусировки, и проявление скрытого изображения, плотность тока электронного луча и ширину штампа выбирают из условия
__→ max (1) при 0,25 ≅ I_общ ≅ 10. где I(H) плотность тока электронного луча, А/м², при чувствительности используемого электронорезиста D, кл/м², и максимально допустимой пиковой температуре в зоне облучения, Т, ^оС;
N(S) минимальное количество прямоугольных штампов при площади штампа S, необходимых для покрытия площади заданного топологического рисунка;
I_общ. величина допустимого общего тока луча, мкА.

Разогрев электронорезиста в процессе его облучения происходит в течение временных интервалов, измеряемых микросекундами в пределах локальных пространственных областей субмикронных размеров. Даже в тех случаях, когда облучение ведется штампами площадью в десятки квадратных микрометров, температура внутри области облучения распределена существенно неравномерно и имеет различные значения в разных точках данной области. Таким образом, конкретные числовые значения температуры могут определяться только для данного момента времени и данной точки пространства. Отсюда следует, что измерение температуры электронорезиста в указанных условиях не представляется возможным с помощью известных в настоящее время измерительных средств, и единственным путем изучения тепловых процессов, сопровождающих облучение электронорезистов, является моделирование.

Температура данной точки x, y, z подложки в данный момент времени t, достигнута за счет облучения в течение времени τ формированным электронным лучом αxβ, определяется выражением
T=T_o
erf exp erf erf
e 1+erf + e 1_erf b, l_o, r параметры распределения плотности энергии, выделенной электронным лучом, по глубине подложки в виде
λ(I)=b
h l_o^. R_G; d r ^. R_G; a= где Е_о энергия электронов;
ρ плотность подложки;
I плотность тока луча;
R_G пробег Грюэна;
λ_o теплопроводность подложки;
с удельная теплоемкость подложки.

Расчеты, выполненные с помощью ЭВМ на основе приведенного выражения, выявляют закономерности взаимной зависимости температуры электронорезиста в зоне облучения и размеров электронного штампа (фиг.1).

Семейство изотерм максимальных значений температур резиста, достигнутых в случае заполнения рисунка штампами размером αxβ по змейке при дозе облучения 3 ^. 10^-5 Кл/см² и плотности тока 2 А/см² (фиг.4) указывает на то, что температура резиста в зоне облучения штампом, размер которого по одной из осей (назовем его "ширина") остается постоянным, не изменяет своего значения при неограниченном увеличении размера штампа вдоль другой оси (по длине). При этом само значение температуры определяется конкретным значением ширины штампа, а также плотностью тока луча и дозой облучения. Кроме того из выражения (2) следует, что значение температуры, достигаемой в зоне облучения, определяется также физическими свойствами подложки, на которую нанесен резист: плотность, теплопроводность, удельная теплоемкость.

Допустимая плотность тока электронного луча прямо пропорциональна допустимой температуре электронорезиста и обратно пропорциональна ширине штампа и дозе облучения.

Таким образом, согласование параметров электронного луча, исходя из условий непревышения заданного значения температуры, сводится к согласованию плотности тока луча с шириной сечения луча в плоскости фокусировки. С точки зрения тепловых искажений длина сечения электронного луча в плоскости фокусировки (штампа) при этом не ограничена, т.е. не ограничена и площадь сечения луча, в известных пределах. Это достигается за счет того, что увеличение размера штампа вдоль одной стороны не приводит к росту температуры внутри области облучения, так как в данном случае определяющую роль в установлении теплового баланса играет теплоотвод через две длинные стороны прямоугольного штампа, вдоль которых располагаются неразогреваемые в данный момент времени области подложки, т.е. теплоотвод из области одновременного облучения осуществляется через ее периметр.

В случае квадратного сечения электронного луча в плоскости фокусировки согласно способу-прототипу, периметр области одновременного облучения располагается симметрично относительно центра области, где достигается максимум температуры. В случае использования штампа согласно заявляемому изобретению, даже если его площадь не ниже площади квадратного штампа, становится возможным использование повышенных плотностей тока за счет того, что большая часть периметра штампа приближается к центральной части области энерговыделения, улучшая теплоотвод от нее.

С точки зрения теплового режима облучения на длину сечения луча в плотности фокусировки ограничений не накладывается, и она может выбираться такой, какая необходима для формирования конкретного микроизображения минимальным числом прямоугольников. В то же время важным параметром при формировании микроизображений для использования в технологии микроэлектроники являются точностные характеристики изображения, т.е. минимальная ширина линии формируемого изображения. В зависимости от величины тока электронного луча изменяется крутизна наклона края распределения плотности тока в электронном штампе, или, как ее называют, резкость края штампа. В случае, если общий ток электронного луча превышает 10 мкА, кулоновское взаимодействие электронов в луче приводит к ухудшению точностных характеристик настолько, что становится невозможным изготовление даже 10-кратных фотошаблонов. Чем меньше размер элементов формируемого изображения, тем более резкий наклон края распределения плотности тока по сечению электронного луча в плоскости фокусировки должен обеспечиваться используемой электронно-лучевой установкой. Улучшение резкости края достигается снижением общего тока электронного луча. Таким образом, ток луча должен выбираться максимально возможным из тех значений при которых обеспечиваются требования по точности формируемого изображения.

Предлагаемый способ используется для формирования изображений топологических рисунков СБИС с размерами элементов от субмикронных (в случае формирования изображения в масштабе 1:1) до сотен микрометров (при формировании изображений в масштабе 10:1). Максимально допустимым током луча, при котором обеспечивается возможность формирования изображений размером 0,2 мкм, является 0,25 мкА. При формировании изображений в масштабе 10:1 требования к точности не будут удовлетворены, если ток превысит значение 10 мкА. Отсюда устанавливается требование ограничения площади сечения электронного луча в плоскости фокусировки таким образом, чтобы при выбранной на основании соотношения (1) плотности тока, общий ток луча не превышал значения из указанного выше диапазона.

Известен способ экспонирования электронным лучом, согласно которому формирование микроизображений обеспечивается облучением фигуры топологического рисунка, прямоугольными штампами площадью, равной максимальному размеру электронного луча.

Сравнение свойств, характеризующих известный и предлагаемый способ, показало, что в известном способе площадь штампа равна максимальной площади сечения луча, определяемой конструктивными параметрами ЭЛУ, что позволяет повысить точность формирования топологического рисунка. Согласно предлагаемому способу размеры штампа выбираются из условия минимизации количества штампов, необходимых для покрытия площади топологического рисунка при ограничении по общему току луча, что обеспечивает повышение производительности процесса при сохранении точностных характеристик.

На фиг. 1 дано изображение фрагмента топологии рисунка накопителя ОЗУ в слое негативного электронорезиста с помощью ЭРН-14С, сформированного прямоугольным штампом размером 3х6 мкм при плотности тока луча I 1,68 A/см²; на фиг. 2 тот же фрагмент при использовании штампа размером 4х6 мкм; на фиг.3 тот же фрагмент при использовании штампа размером 6х6 мкм.

П р и м е р 1. Изготавливался фотошаблон изделия ОЗУ 1М в масштабе 5:1 на стеклянной хромированной подложке с помощью ЭЛУ Z ВА-20. Управляющая информация готовилась специальным образом так, чтобы ни одна из элементарных фигур в составе управляющей информации (УИ) не превышала в размерах по каждой из осей 6 мкм. Фактически, это означает, что прямоугольные элементарные фигуры формируются одним электронным штампом. Такая подготовка УИ обеспечила возможность управлять формой используемых при формировании изображения штампов, т.е. осуществить набор топологического рисунка прямоугольными штампами без использования квадратных. На фотографии (фиг.1) представлено изображение фрагмента топологического рисунка накопителя ОЗУ в слое негативного электронорезиста ЭРН-14С, сформированное при использовании прямоугольных штампов с максимальными размерами Н_х 3 мкм и Н_у 6 мкм. Общее число штампов, использованных для формирования полного изображения фотошаблона, в этом случае составило N_н 68378970. Плотность тока луча, предельно допустимая для прямоугольного штампа с вышеуказанными размерами, была определена с помощью модели и составила I_н 1,68 А/см². При формировании изображения способом-прототипом, используемым в ЭЛУ ZBA-20 при работе ее в паспортных режимах, размер штампа ограничен значением Н_о 6 мкм по обеим осям. При этом плотность тока не может превышать значения I_o 0,6 А/см². Число штампов, необходимых для формирования изображения фотошаблона, в этом случае, составляет N_o 50651089. Таким образом, в случае формирования изображения прямоугольным штампом достигнуто увеличение скорости формирования изображения фотошаблона по сравнению со способом-прототипом в К раз, где
K 2,07
Для сравнения на фиг.2 и 3 показаны изображения того же, что и на фиг.1 фрагмента топологии, полученного при плотности тока луча I 1,68 А/см² и ограничении на ширину штампа 4 мкм и 6 мкм, соответственно.

Изображения, представленные на фиг.2 и 3, характеризуются наличием тепловых искажений электронорезистивной маски в виде кратеров в слое резиста.

П р и м е р 2. Облучение позитивного электронорезиста марки ЭРП-40 на стеклянной хромированной подложке (фотошаблонной заготовке) проводилось с целью формирования микроизображения 5 модулей без увеличения (М 1:1) слоев СБИС памяти с проектными нормами 0,8 мкм. Ширина сечения луча (штампа) установлена равной проектной норме Н 0,8 мкм. С помощью модели установлено максимально допустимое значение плотности тока луча I_н 6,6 А/см². Исходя из условий достижения точностных параметров изображения, соответствующих указанным выше проектным нормам, общий ток луча ограничен значением I_общ. 1 мкА. На этом основании длина сечения луча (штампа) не должна превышать L 19 мкм (S 15,2 мкм²). Время, затрачиваемое на облучение электронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл.1.

В известном способе используют электронный луч, сечение которого ограничено квадратом с размерами L H 10 мкм². Допустимая плотность тока I 0,28 А/см² (для достижения точностных параметров возможно I 2 А/см², но из-за тепловых искажений снижено до 0,28 А/см²).

Таким образом, при I 0,28 А/см² и S 100 мкм² время, затрачиваемое на облучение электронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл.2.

В этом примере сокращение времени облучения достигнуто за счет существенного увеличения допустимой по сравнению с прототипом плотности тока луча (примерно в 23 раза) при не столь существенном снижении максимальной площади сечения луча (примерно в 6,5 раза). Аналогичное увеличение плотности тока при сокращении площади квадратного сечения луча с 100 мкм² до 15,2 мкм² в известном способе не возможно из-за тепловых искажений.

П р и м е р 3. Облучение позитивного электронорезиста марки ЭРП-40 на стеклянной хромированной площадке (фотошаблонной заготовке) проводилось с целью формирования десятикратно увеличенного (М 10:1) микроизображения слоев СБИС памяти с проектной нормой 0,8 мкм. Как и в примере 1, ширина сечения луча выбрана Н 3 мкм, что допускает значение плотности тока луча I 1,68 А/см².

Исходя из условия, что минимальный размер в данном изображении составляет 8 мкм, требования к точности воспроизведения данного размера по отношению к номиналу могут быть удовлетворены при условии, что общий ток луча будет ограничен значением 10 мкА. На этом основании длина сечения луча не должна превышать значение L 200 мкм (S 600 мкм²).

Расчеты показывают, что превышение длины штампа свыше значения L 200 мкм не приводит к снижению количества штампов, необходимых для формирования изображения. Таким образом, в данном случае стремлению к минимизации функции N(H) не препятствуют требования к точности воспроизведения размеров. В этих условиях время, затрачиваемое на облучение электронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл.3.

Согласно способу-прототипу используют электронный луч, сечение которого ограничено квадратом с размерами L H 10 мкм и плотность тока значением I 0,28 А/см². Время, затрачиваемое на облучение электронорезиста в данном случае представлено в табл.4.

В данном примере сокращение времени облучения достигается за счет увеличения плотности тока луча и площади его сечения одновременно.

Использование заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с известными способами формирования микроизображений следующие преимущества: повышение производительности процесса в 2-3 раза за счет обеспечения оптимизации термических условий облучения: возможность реализации способа при эксплуатации ЭЛУ с высокой плотностью тока луча; перспективность способа, объясняемая осуществимостью заявляемого решения в ЭЛУ третьего поколения.

Использование: изготовление фотошаблонов сверхбольших интегральных схем (СБИС) и самих СБИС методом прямой электронолитографии по полупроводниковой пластине. Сущность изобретения: при формировании микроизображений программно-управляемо последовательно облучают электронорезист электронным лучом в виде прямоугольных штампов, размер которых определен максимальной плотностью сечения луча в плоскости фокусировки, с последующим проявлением скрытого изображения, при этом плотность тока и ширину штампа выбирают из условия, приведенного в формуле изобретения. Изобретение обеспечивает повышение производительности процесса за счет оптимизации термических условий облучения. 4 ил., 4 табл.

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИЗОБРАЖЕНИЙ, включающий нанесение на подложку слоя электронорезиста, программно-управляемое последовательное облучение электронорезиста электронным лучом в виде прямоугольных штампов, размер которых определен максимальной площадью сечения луча в плоскости фокусировки, и проявление скрытого изображения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности процесса за счет оптимизации термических условий облучения, плотность тока-луча I и ширину штампа H выбирают из условия

при 0,25≅I_общ≅10,
где
I(Н) плотность тока луча при заданной чувствительности электронорезиста и максимально допустимой пиковой температуре в зоне облучения;
N(S) минимальное количество прямоугольных штампов, необходимых для заполнения площади заданного микроизображения при максимальном значении площади штампа;
I_общ допустимая величина общего тока луча, мкА.