Способ формирования микроизображений

(72) Смоляницкий И.ЯКононов АНАртемоваНД; Поликарпов ДПОгурцов АИЯковлев АТМещеряков СА.; Шульгин АА(5 В) Зоцтпа оГ Часццт Збепсе апб Теснилооду,1986, В 4/1, уап/1 еЬ, р.7377.(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОИЗОБРАЖЕНИЙ(57) Использование: изготовление фотошаблоновсверхбольших интегральных схем (СБИС) и саСОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР г) ОПИСАН мих 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 таба1834530 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 иэображения 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--вах1(Н)М 5) п ри 0,20 щ 1 ьпщ щ 1 О,где 1 Н) - плотность тока епектронного пуча,Аум, при чуастеительности испопьеуемогоэлектронорезиста О, клм, и максимально2допустимой пиковой температуре в зоне облучения, Т, С; гете/Гх Х Е е,)еСеЬ О Т=Т ОЛ Ь, ЬО, г - параметры распределенисти энергии, выделенной электрочом, по глубине подложки в виде плотноцм луЛ(1)=Ь е .2 а= Л /рОпв; и; Ь =О Йс: б = гЙ 6,где ЕО - энергия электро р- плотность подлож 1 - плотность тока лу й 6 - пробег Грюэна;(ч(Я) - минимальное количество прямоугольных штампов при площади штампа Я, необходимых для покрытия площади заданного топологического рисунка;Общ, - величина допустимого общего тока луча, мкА.Разогрев электронорезиста в процессеего облучения происходит в течение временных интервалов, измеряемых микросе кундами в пределах локальныхпространственных областей субмикронных размеров. Даже в тех случаях, когда облучение ведется штампами площадью в десятки квадратных микрометров, температура 15 внутри области облучения распределена существенно неравномерно и имеет различные значения в разных точках данной области. Таким образом, конкретные числовые значения температуры могут опреде ляться только для данного момента времении данной точки пространства. Отсюда следует, что измерение температуры электронорезиста в укаэанных условиях не представляется возможным с помощью известных в настоящее время измерительных средств, и единственным путем изучения тепловых процессов, сопровождающих облучение электронорезистов, является моделирование.30 Температура данной точки х,у,г подложки в данный момент времени С, достигнута за сч 1 г; облучения в течение времени г формированным электронным лучом ах 3, определяется выражениемтуЕ.у(О - теплопроводность подложки;с - удельная теплоемкость подложки, Расчеты, выполненные с помощью ЭВМна основе приведенного выражения, выявляют закономерности взаимной зависимо сти температуры электронорезиста в зонеоблучения и размеров электронного штампа (фиг,1).Семейство изотерм максимальных значений температур резиста, достигнутых в35 40 45 50 55 случае заполнения рисунка штампами размером ахр по змейке при дозе облучения 310 Кл/см и плотности тока 2 А/см (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 тепло- емкость.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 5 10 15 го 25 30 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 оаспределения 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 точностиформируемого изображения.Предлагаемый способ используется дляформирования изображений топологических рисунков СБИС с размерами элементов от субмикронных в случае формирования изображения в масштабе 1:1) до сотен микрометров (при формировании иэображений в масштабе "0:1). Максимально допустимым током луча, при котором обеспечивается возможность фор- " мирования изображений размером 0,2 мкм, является 0,25 мкА, При формировании изобракений 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 иэ указанного выше диапазона.Известен способ экспонирования электронным лучом, согласно которому форми 1834530рование микроизображений обеспечивается облучением фигуры топопогического 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 ЭРНС, сформированного прямоугольным штампом размером Зхб мкм при плотности тока луча 1= 1,68 А/см; на фиг.2 - тотг,же фрагмент при использовании штампа размером 4 хб мкм; на фиг.З - тот же фрагмент при использовании штампа размером бхб мкм.П р и м е р 1. Изготавливался фотошаблон иэделия ОЗУ 1 М в масштабе 5,1 на стеклянной хромированной подложке с помощью ЭЛУ Е ВА. 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 б 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 14 С, сформированное при использовании прямоугольных штампов с максимальными размерами Нх = 3 мкм и Ну = 6 мкм, Общее число штампов, использованных дпя формирования полного изображения фотошаблона, в этом случае составило йч = 68378970. Плотность тока луча, предельно допустимая для прямоугольного штампа с вышеуказанными размерами, была определена с помощью модели и составила н = 1,68 А/см .г При формировании изображения способомпрототипом, используемым в ЭЛУ ЕВА при работе ее в паспортных режимах, размер штампа ограничен значением Но = 65 мкм по обеим осям. При этом ппотностьтокане может превышать значения 1 о = 0,6А/см 2. Число штампов, необходимых дляформирования изображения фотошаблона,в этом случае, составляет М, = 50651089.10 Таким образом, в случае формирования изображения прямоугольным штампом достигнуто увеличение скорости формированияизображения фотошаблона по сравнениюсо способом-прототипом в К раз, где15 1 Ин о 1 68 506510891 М 0,6 68378970о нДля сравнения на фиг,2 и 3 показаныизображения того же, что и на фиг.1 фраг 20 мента топологии, полученного при плотности тока луча 1 - 1,68 А/см и ограничении2на ширину штампа 4 мкм и б мкм, соответственно.Иэображения, представленные на фиг,225 и 3, характеризуются наличием тепловых искажений электронорезистивной маски в виде кратеров в слое резиста.П р и м е р 2, Облучение позитивногоэлектронорезиста марки ЭРПна стек 30 лянной хромированной подложке(фотошаблонной заготовке) проводилось с цельюформ сования микроизображения 5 модулей без увеличения М 1:1) слоев СБИС памяти с проектными нормами 0,8 мкм,35 Ширина сечения луча (штампа) установленаравной проектной норме Н = 0,8 мкм. Спомощью модели установлено максимальнодопустимое значение плотности тока луча1 н = 6,6 А/см, Исходя из условий достиже 40 ния точностных параметров изображения,соответствующих указанным выше проектным нормам, общий ток луча ограничен значением 1 оьщ. = 1 мкА, На этом основаниидлина сечения луча (штампа) не должна пре 45 вышать= 19 мкм (Я = 15,2 мкм ). Время,затрачиваемое на облучение электронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл.1,В известном способе используют элект 50 ронный луч, сечение котооого ограниченоквадратом с размерами= Н =. 10 мкм .Допустимая плотность тока 1 = 0,28 А/см(для достижения точностных параметроввозможно 1 = 2 Аlсм, но из-за тепловых255 искажений снижено до 0,28 А/см 2).Таким образом, при 1 = 0,28 А/см и 5 =100 мкм время, затрачиваемое на облучение эпектронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл.2.1834530 Таблица 1 а 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 мкм до2 15,2 мкм в известном способе не возможно из-за тепловых искажений.П р и м е р 3, Облучение позитивного электронорезиста марки ЭРПна стеклянной хромированной площадке (фото- шаблонной 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 = 1,68 А/см,гИсходя 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 Е = 200 мкм (Я = 600 мкм ),2Расчеты показывают, что превышение длины штампа свыше значения= 200 мкм не приводит к снижению количества штампов, необходимых для формирования изображения, Таким образом, в данном случаестремлению к минимизации функции К(Н)5 не препятствуют требования к точности воспроизведения размеров. В этих условияхвремя, затрачиваемое на облучение электронорезиста для формирования микроизображения, представлено в табл,3.10 Согласно способу-прототипу используют электронный луч, сечение которого ограничено квадратом с размерами= Н =-. 10мкм и плотность тока - значением 1 =- 0,28А/см . Время, затрачиваемое на облучение15 электронорезиста в данном случае представлено в табл.4.В данном примере сокращение времени облучения достигается за счет увеличения плотности тока луча и площади его20 сечения одновременно,Использование заявляемого изобретения обеспечивает по сравнению с известными способами формированиямикроизображений следующие преимуще 25 ства: повышение производительности процесса в 2-3 раза за счет обеспеченияоптимизации термических условий облучения; возможность реализации способа приэксплуатации ЭЛУ с высокой плотностью30 тока луча; перспективность способа, обьясняемая осуществимостью заявляемого решения в ЭЛУ третьего поколения,1834530 Таблица 3 Таблица 4 т(н)-цех 2. Формула изобретениеСПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРО- ИЗОБРАЖЕНИЙ, включающий нанесение на подложку слоя электронорези-, ста, программно-управляемое последовательное облучение электроно ревиста электронным лучом в виде прямоугольных штампов, размер которых определен максимальной площадью сечения луча в плоскости фокусировки, и проявление скрытого изображения, от личающийся тем, что, с целью повыше-, ния производительности процесса за , счет оптимизации термических условийоблучения, плотность тока-лучаи ширину штампа Н выбирают из условия при 0,25 общ 10,где .(Н) - плотность тока луча при задан; эй чувствительности электронорезиста и максимально допустимой пиковой температуре в зоне облучения;й(Я) - минимальное количество прямоугольных штампов, необходимых для заполнения площади заданного микроизображения при максимальном значении площади штампа;общ - допустимая величина общего тока луча, мкА.1834530 3 У УУ ФУ РУ Ю, мгка оставитель В.Ежов хред М.Моргенталорректор Л,Ф едактор каэ 281 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035. Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 1