способ формирования структур в микроэлектронике

Формула изобретения

Способ формирования структур в микроэлектронике, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и удаление резиста, причем удаление резиста проводят на глубину облучения слоя проявлением, отличающийся тем, что на подложку предварительно наносят пленку материала, экспонирование резиста осуществляют дозой электронов в 2 - 3 раза меньшей чувствительности электронорезиста, а после проявления сформированные в резисте элементы облучают ультрафиолетовым светом с длиной волны от 200 до 300 нм, дозой от 1,5 до 3 кДж/см² в атмосфере воздуха или кислорода, после удаления резиста на глубину облученного слоя проявлением осуществляют травление пленки материала, полностью удаляют электронорезист обратной литографией после нанесения дополнительного слоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к микроэлектроникe и может быть использовано при формировании структур методом обратной литографии.

Известен способ формирования структур в микролитографии, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и полное удаление резиста в растворителе (Моро У. Микролитография. Принципы, методы, материалы.- М.: Мир, 1990, c. 747-748).

Однако размеры элементов структур, которые формируются этим способом, определяются возможностями применения литографического метода - электронно-лучевой или рентгеновской литографии, и при уменьшении их до 0,1-0,5 мкм производительность способа значительно снижается и соответственно возрастает себестоимость изготовленных структур. Более того, при размерах элементов структур либо зазоров между ними 0,1-0,5 мкм необходимо проводить специальную коррекцию эффектов близости в электронно-лучевой литографии и дифракционных искажений - в рентгеновской. Формирование следующего топологического слоя микроэлектронного прибора также требует повторного проведения всех этих операций с презиционным совмещением слоев в процессе экспонирования.

Известен способ, принятый за прототип, включающий нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и удаление резиста, в котором после проявления облучают сформированные в резисте элементы пучком электронов с энергией 1-5 кэВ дозой, равной 2-10 чувствительности резиста, в удаление резиста проводят на глубину облученного слоя проявлением (RU патент 2072644, кл. H 05 K 3/06, 1997).

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет снизить время экспонирования при формировании структур в резисте. Кроме того, дополнительное облучение резиста электронами приводит к уходу размеров, формируемых субмикронных элементов от заданных и снижению защитных свойств резиста за счет деструкции резиста электронами при дополнительном облучении, а также обратнорассеянными электронами, рентгеновским и ультрафиолетовым светом (возникающим за счет торможения электронов).

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - совершенствование способа формирования структур в микролитографии.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении чувствительности электронорезиста за счет дооблучения ультрафиолетовым светом, позволяющeй снизить время экспозиции электронами, а также устранении ухода размеров формируемых субмикронных элементов от заданных и устранении травления областей резиста, не модифицированными электронами, за счет использования селективности поглощения ультрафиолетового света.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе, включающем нанесение на подложку позитивного электронорезиста, экспонирование рисунка, проявление, нанесение дополнительного слоя материала и удаление резиста, на подложку предварительно наносят пленку материала, экспонирование резиста осуществляют дозой электронов, в 2-3 раза меньшей чувствительности электронорезиста, а после проявления сформированные в резисте элементы облучают ультрафиолетовым светом с длиной волны от 200 до 300 нм, дозой от 1,5 до 3 кДж/см² в атмосфере воздуха или кислорода, после удаления резиста на глубину облученного слоя проявлением осуществляют травление материала пленки, полностью удаляют электронорезист обратной литографией после нанесения дополнительного слоя.

Предлагаемая совокупность признаков позволяет изготовить самосовмещенные структуры с размерами элементов или зазоров между ними 0,1-0,5 мкм за счет экспонирования боковых поверхностей сформированных в позитивном электронорезисте структур электронами, отраженными от подложки при ее облучении пучком, падающим перпендикулярно ее поверхности. При этом толщина слоя резиста, проэкспонированного на боковых поверхностях структур, определяется энергией электронов, диапазоном, плотностью энергии ультрафиолетового облучения. Коэффициенты поглощения ультрафиолетового света резистом, модицифицированным электронами, и резистом, не модифицированным электронами, различны, причем коэффициент поглощения модифицированой электронами области резиста больше, чем не модифицированной, что позволяет селективно воздействовать ультрафиолетовым излучением на облученные электронами участки резиста. Это позволяет проявлять скрытое изображение, сформированное в резисте обратнорассеянными электронами.

Удаление резиста обработкой облученных электронами структур в проявителе с последующим облучением ультрафиолетовым излучением и обработкой в проявителе позволяет удалять резист только на глубину облученного слоя. При этом за счет растворения резиста происходит удаление нанесенного на них дополнительного слоя материала, образуются свободные от резиста участки шириной 0,1-0,5 мкм оставшимися на подложке структурами из резиста и дополнительным слоем.

Эти участки могут быть использованы для травления подложки, имплантации в нее примесей, а также для нанесения на эти участки материала следующего топологического слоя. При этом полученный топологический рисунок является контуром сформированных в резисте структур, то есть совмещен с ними.

Оставшиеся на подложке структуры из резиста могут быть повторно использованы для проведения процесса обратной литографии, так как резист, из которого они состоят, не подвергался деструкции из-за малости коэффициента поглощения. Это позволяет использовать один слой резиста со сформированными в нем структурами для проведения нескольких операций обратной литографии, обеспечивающих формирование нескольких самосовмещенных топологических слоев с размерами элементов 0,1-0,5 мкм.

В предложенном способе облучение ультрафиолетовым светом в диапазоне от 200 до 300 нм в атмосфере воздуха или кислорода дозой 1,5-3 кДж/см² позволяет осуществить экспонирование тонкого слоя резиста на боковых поверхностях структур, которые не подвергаются прямому воздействию первичного электронного пучка, а облучаются только обратнорассеянными электронами в результате проведения предлагаемых нами операций, причем доза облучения резиста в 2-3 раза ниже его чувствительности. Облучение ультрафиолетовым светом позволяет получить отрицательный наклон профиля резиста, что позволяет получать более качественные субмикронные полоски. Метод позволяет получать субмикронные полоски заданной ширины путем подбора дозы электронов ультрафиолетового света.

Способ осуществляют следующим образом. На подложку (диэлектрик, полупроводник) предварительно наносят пленку материала (диэлектрик, металл, полупроводник), затем наносят позитивный электронорезист и локально экспонируют электронами дозой, соответствующей предельной чувствительности резиста. После проявления сформированные в резисте элементы облучают ультрафиолетовым светом с длиной волны от 200 до 300 нм, дозой от 1,5 до 3 кДж/см² в атмосфере воздуха или кислорода, удаление резиста проводят на глубину облученного слоя обратнорассеянными электронами и ультрафиолетовым светом проявлением. Осуществляют травление пленки материала, наносят дополнительный слой материала (диэлектрик, металл, полупроводник), полностью удаляют электронорезист, используя обратную литографию.

Пленку материала наносят путем напыления на установке вакуумного напыления УВН-71 П-3 (Черняев B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров.- М.: Радио и связь, 1987, c. 294). Нанесение электрорезиста осуществляют например методом центрифугирования (Моро У. Микролитография. Нанесение резистивных пленок.- М.: Мир, 1990, c. 384). Локально экспонируют электрорезист на установке электронно-лучевой литографии ZBA-21 (Черняев B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. - М.: Радио и связь, 1987, c. 252). Облучение ультрафиолетовым светом можно производить, например, с помощью газоразрядной лампы ДРП3-400. Проявлением в смеси метилэтилкетон-изопропиловый спирт (МЭК:ИПС) в соотношении 1: 4 удаляют модицифицированный электронами и ультрафиолетовым светом электронорезист. Травление пленки материала осуществляют жидкостным способом (Пресс Ф. П. Фотолитографические методы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.- М.: Сов. радио, 1978, c. 95). Обратную литографию осуществляют по стандартной технологии (Технология тонких пленок. Справочник. Т. 1. Под pедакцией Л. Майссела, Р. Глэнга.- М.: Сов. радио, 1977, c. 624-625).

Таким образом, неизвестна как предлагаемая совокупность признаков, в частности последовательность проведения операций и условия проведения этих операций (доза облучения, диапазон волн), так и получаемый эффект - контролируемое по глубине травлениe боковых поверхностей структуру в резисте, что сообщает предлагаемому техническому решению соответствие критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Пример 1.

На стеклянную (К-8) подложку напыляют слой хрома толщиной 0,1 мкм, наносят слой позитивного электронорезиста ЭРП-40 толщиной 0,5 мкм, экспонируют электронным лучом на установке ZBA-21 (E = 20 кэВ, где E - энергия электронов в пучке) и проявляют в смеси МЭК:ИПС в соотношении 1:3 в течение 1 мин. В нем были сформированы структуры с размерами элементов до 15 мкм. Затем резист был облучен ультрафиолетовым светом с энергией 1,5 кДж/см² в диапазоне длин волн 200-260 нм и проявлен в смеси МЭК:ИПС 1:4 в течение 1 мин. , после чего хром травили 3 мин в смеси из сернокислого церия (200 мл), соляной кислоты (100 мл), серной кислоты (20 мл), воды (1 л), после отмывки и сушки на центрифуге на образец был напылен дополнительный слой алюминия толщиной 0,1 мкм. Затем резист был удален в диметилформамиде и на подложке остались структуры из алюминиевой пленки и структуры из хрома толщиной 0,1 мкм с зазором 0,3 мкм между ними. Эта совокупность структур была использована в качестве маски для оптических экспериментов.

Пример 2.

На стеклянную подложку напыляют слой хрома толщиной 0,1 мкм, наносят слой ЭРП-40 толщиной 0,6 мкм. Методом электронно-лучевой литографии в резисте были сформированы структуры с размерами элементов до 6 мкм. Затем резист был облучен ультрафиолетовым светом с энергией 3 кДж/см² в диапазоне 200-260 нм и проявлен в смеси МЭК:ИПС в соотношении 1:4 в течение 1 мин, после чего хром травили 3 мин в смеси из сернокислого церия (200 мл), соляной кислоты (100 мл), серной кислоты (20 мл), воды (1 л). После отмывки и сушки на центрифуге на образец был напылен методом косого напыления под углом 30^o к подложке дополнительный слой хрома толщиной 0,08 мкм. Затем резист был удален в диметилформамиде, и на подложке остались структуры из хрома с зазором 0,3 мкм между ними. Эта совокупность структур была использована в качестве маски для оптических экспериментов. Косое напыление позволяет делать "обратную" литографию более качественно.

Пример 3.

На кремниевую подложку наносят слой электронорезиста ЭРП-40 толщиной 0,5 мкм. Экспонируют электронным лучoм на уcтановке ZBA-21 (E = 20 кэВ), и проявлением в смеси МЭК:ИПС в соотношении 1:3 в течение 1 мин таким образом были сформированы структуры в электронорезисте. Затем резист был облучен ультрафиолетовым светом с энергией 1,5 кДж/см² в диапазоне длин волн 200-260 нм. На подложку был напылен слой алюминия толщиной 0,1 мкм, и резист был повторно проявлен в смеси МЭК:ИПС в соотношении 1:4 на глубину слоя, облученного обратнорассеянными электронами и ультрафиолетовым светом. В результате этих операций на подложке остались структуры из резиста и слоя алюминия при расстоянии 0,3 мкм между ними. Полученные структуры были использованы в качестве маски при ионно-лучевом травлении кремния и при ионной имплантации кремния.

Примеры 4-8 проведены аналогично примеру 1, данные сведены в таблицу.

Выбранный интервал длин волн ультрафиолетового света обусловлен тем, что при длинах волн более 300 нм не наблюдается селективности поглощения ультрафиолетового света областями электронорезистов, модифицированных и не модифицированных электронами соответственно. При длинах волн ультрафиолетового света менее 200 нм наблюдается сильное фототравление указанных в таблице электронорезистов в атмосфере воздуха или кислорода как модифицированных, так и не модифицированных электронами областей электронорезистов, приведенных в таблице.

Выбранный интервал дозы облучения электронорезистов ультрафиолетовым светом обусловлен тем, что при дозе более 3 кДж/см² нарушается селективность травления и травятся как модифицированные, так и не модифицированные электронами области электронорезистов. При дозе облучения менее 1,5 кДж/см² происходит очень слабое селективное травление модифицированных и не модифицированных электронами областей электронорезистов, и это не позволяет достичь полного проявления с требуемым контрастом.

Экспонирование резиста осуществляется дозой электронов, в 2-3 раза меньшей чувствительности электронорезиста, так как это минимальная доза облучения электронами электронорезиста формирующая конфигурацию скрытого изображения, позволяющая получать необходимый контраст для приведенных в таблице электронорезистов.

Облучение электронами электронорезистов, проводимoе в атмосфере воздуха или кислорода, обусловлено тем, что молекулы кислорода под воздействием ультрафиолетового света разлагаются на атомарный кислород, который является сильным окислителем. Атомарный кислород осуществляет дополнительную деструкцию модифицированных электронами и ультрафиолетовым светом макромолекул электронорезиста.

Таким образом, использование изобретения обеспечивает формирование самосовмещенных структур с размерами элементов или зазоров между ними 0,1-0,5 мкм.

Предложенный способ формирования субмикронных структур облучением резиста ультрафиолетовым светом имеет более высокую производительность, чем другие субмикронные литографические методы, так как подложка облучается постоянной дозой ультрафиолетового света вся одновременно или избирательно лучом. Причем экспонирование электронорезиста осуществляется дозой в 2-3 раза меньше его чувствительности, что снижает себестоимость процесса и увеличивает его производительность. Разные коэффициенты поглощения модифицированных и не модифицированных областей электронорезиста приводят к получению профиля края пленки электронорезиста с отрицательным наклоном, позволяют получать зазоры высокого качества. Меняя дозу ультрафиолетового и электронного облучения резиста, можно получать субмикронные зазоры заданной ширины.