автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Анализ и оптимизация фотолитографических процессов при флуктуации параметров фоторезистной пленки

Введение.лГ

Г лава 1. Аналитический обзор литературы, постановка цели и задач исследований.8.

1.1. Состояние рынка продукции микроэлектроники.8.

1.2. Технологический процесс фотолитографии.11.

1.2.1. Технологическая схема процесса, материалы, оборудование.

1.2.2. Свойства фоторезистов и пленок на их основе.Ш.

1.3. Процессы, оказывающие влияние на точность воспроизведения элементов микросхем при фотолитографии.3.

1.3.1. Оптические процессы.Д

1.3.2. Совмещение.М.

1.3.3. Проявление.

1.3.4. Травление.М

1.4. Постановка цели и задач исследований.

Глава 2. Математическое моделирование и оптимизация процесса пленкообразования фоторезиста.

2.1. Современное состояние вопроса по пленкообразованию фоторезиста.5.О.

2.2. Обоснование схемы нанесения фоторезиста.51.

2.3. Обоснование выбора методики измерения толщины пленок фоторезиста.

2.4. Математическое моделирование процесса пленкообразования фоторезиста.5.9.

2.4.1. Реологические исследования позитивного фоторезиста.59.

2.4.2. Исследование зависимости толщины пленок фоторезиста от скорости вращения центрифуги и от вязкости фоторезиста.М

2.4.3. Разработка математической модели процесса пленко-образования фоторезиста с применением полного факторного эксперимента

§.?.

2.4.4. Определение оптимальных технологических режимов процесса получения пленок фоторезиста.$.

2.4.5. Оценка резко выделяющихся результатов экспериментальных измерений

§

Выводы по главе 2.ZQ

Глава 3. Экспериментально - аналитический метод определения вероятностных характеристик толщины фоторезистных пленок.

3.1. Анализ распределения толщины пленки фоторезиста по подложке.7Z.

3.2. Плотность распределения толщины пленки фоторезиста.7М.

3.3. Разработка методики статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3.4. Постановка, проведение эксперимента и обработка результатов.7.9.

Выводы по главе 3.8.

Глава 4. Анализ процесса фотолитографии и оптимальный синтез фотошаблона. .В7.

4.1. Статистический анализ процесса фотолитографии.

4.1.1. Функциональные преобразования размеров рисунка фотошаблона в процессе экспонирования и проявления фотослоя.?.'.

4.1.2. Преобразование размеров рисунка фотошаблона в процессе травления тонких пленок.9?.

4.2. Разновидности технологических процессов.94.

4.3. Статистический синтез фотошаблона.9.9.

4.4. Экспериментальное определение величины искажения ширины линии рисунка фотошаблона и параметров полигауссова распределения ширины.ШЗ

4.5. Влияние оптимизации фотошаблона на выходные параметры тонкопленочного датчика температуры.19.9.

Выводы по главе 4.

Технологические процессы изготовления интегральных схем (ИС) и полупроводниковых приборов (ПП) находятся в постоянном обновлении, вызванном необходимостью создания ИС со все меньшими размерами элементов. Микролитография при этом является ключевой во всей микроэлектронной технологии при формировании слоев ИС. Развитие литографии идет по пути как разработки новых, так и совершенствования традиционных методов оптической микролитографии [1].

Оптическая литография распространяется в область создания БИС с размерами 0,25 мкм и менее. Ожидается, что производство нового поколения БИС с 0,25 мкм начнется в 1998 году, а с размерами до 0,15 мкм к 2003 году [2,3].

Важнейшим моментом современной фотолитографии, определяющим точность и процент выхода годных изделий, является качество фотошаблона.

Детерминированный подход к методам литографии хорошо разработан и изучен. Следующий этап развития связан со статистическим подходом. Однако, на сегодняшний день имеется недостаточно информации об использовании статистического анализа явлений, сопровождающих перенос изображения с фотошаблона при флуктуации толщины светочувствительного слоя, с целью проведения оптимального синтеза фотошаблона, поэтому возрастает значение работ, связанных с этими вопросами. Впервые идея использования статистического анализа явлений, сопровождающих процесс переноса рисунка фотошаблона при изготовлении микросхем, для оптимального синтеза фотошаблона была предложена Н.З. Сафиуллиным.

В связи с этим, направление исследований в области совершенствования традиционных методов фотолитографии с применением статистического анализа явлении, сопровождающих перенос рисунка фотошаблона при флуктуации параметров пленки фоторезиста, для оптимального синтеза фотошаблона является актуальным

Целью работы является повышение точности переноса рисунка фотошаблона при флуктуации параметров пленки фоторезиста.

Достижение указанной цели предполагает решение следующих основных задач:

1. Разработка математической модели процесса пленкообра-зования фоторезиста, оптимизация процесса.

2. Разработка методики статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3. Построение экспериментально - аналитической модели плотности распределения толщины фоторезистной пленки по подложке.

4. Исследование процесса переноса рисунка фотошаблона через пленку фоторезиста в условиях флуктуации ее толщины.

5. Оптимальный синтез фотошаблона.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно - технической конференции "Модель -проект 95" (г. Казань, 1995 г.), на международном научно - техническом семинаре "Новые технологии - 96" (г. Казань, 1996 г.), на юбилейной научной и научно - методической конференции, посвященной 65 - летию КГТУ им. А. Н. Туполева "Актуальные проблемы научных исследований и высшего профессионального образования ", (г. Казань, 1997 г.).

Теоретические и практические результаты работы внедрены на ЦПКБ "Теплоприбор" ( г. Казань ), в КПКБ ( г. Казань ), в АООТ Казанский институт фотоматериалов, а также в учебном процессе кафедры Технологии радиоэлектронных средств КГТУ им. А.Н.Туполева (г. Казань).

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства и 1 решение о выдаче патента РФ на изобретение.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель процесса плёнкообразования фоторезиста методом центрифугирования для конкретного технологического оборудования. Определены оптимальные параметры процесса.

2. Разработана методика статистического исследования распределения толщины пленки фоторезиста по поверхности подложки.

3. Разработан экспериментально - аналитический метод описания плотности распределения толщины фоторезистной пленки по подложке на основе использования полигауссовых моделей.

4. Получена плотность распределения ширины линии рисунка микросхемы в виде полигауссовой модели. Определены оценки параметров полигауссовой плотности распределения ширины линии элемента рисунка.

5. Предложен один из путей оптимального синтеза фотошаблона, заключающийся в изменении геометрических размеров рисунка фотошаблона для каждой зоны в зависимисти от толщины пленки фоторезиста.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Пузырев В.А., Герасимова А.С., Клебанова И.В. Управление технологическими процессами микролитографии. / Зарубежная радиоэлектроника. 1994. - N7 - 8. - с. 31 - 38.

2. Vaseph С. Langston, Viang Т / Dao ( Inter Corp., USA ) Solid State Technology, March 1995, p. 57.

3. M.W. Powell, Prodaction lithography down to 150 nm, Solid State Technology, March 1995, p. 5 6.

4. Europe needs its JESSI / Hagmeisher Heinz // Eur. Semicond. -1995.- 17, N 1.-C.13- 14.- Англ.

5. Soutien du JESSI a la micro electronique // Rev. polytechn. -1995.-N6/7.- c. 344. - Фр.

6. Mikroelektronik Boom ungebrochen // Produktion. - 1995. -N17. - c. 4. - Нем.

7. For form a high powered X ray lithography со - op // Semicond. Int. - 1994. - 17, N14. - c. 24. - Англ.

8. Eastern European semiconductor market to grow slowly / Vollmer A. // Electronics. 1995. - 68, N5. - c. 8. - Англ.

9. East. European update / Penn Malcolm U Eur. Semicond. 1994. -16, N8. - c. 8. - Англ.

10. Will Eastern Europe be the world"s next chip assembly capitol ? / Iscoff Ron // Semicond. Int. 1994. - 17, N13. - c. 40. - Англ.

11. Базовые субмикронные технологии настоящее и будущее микроэлектроники / Жильцов В.И., Мартынов В.В. И Электрон, пром - ть. - 1994. - Спец. вып. - с. 19 - 23. - Рус.

12. Оборудование для производства изделий электр. техники / Дмитриев Е.В., Сатаров Г.Х. // Электрон, пром ть. 1994. - Спец. вып. - с. 152 - 154. - Рус.

13. Russian fund for electronics // Eur. Semicond. 1995. - 17, N5. -c. 9. - Англ.

14. DRAM technology continues to drive lithography // Semicond. Int. 1995. - 18, N3. - c. 26. - Англ.

15. Semicon Europa 95 : Les nanotechnologies saffirment // Rev. polytechn. 1995. - N6 / 7. - c. 400, 402. - Фр.

16. Microchips des Jahres 2001 / Sanders WJ.(111) // Elektron. Ind. -1995. 26, N5. - c. 22, 24, 26 - 27. - Нем.

17. Look for " everything under the sun " at semicon. west / IscofT Ron // Semicond. Int. 1994. - 17, N6. - c. 169 -172. - Англ.

18. Semiconductor Systems Inc. Semiconductor Systems, Inc. APEX FPD 500 Flat Panel Display Manufacturing System // Semicond. Int. -1994. - 17, N8. - c. 90. - Англ.

19. Alliance for lithography development // Semicond. Int. 1994. -17, N4.-c. 30.-Англ.

20. Lithography engineers " interface " again // Semicond. Int. 17, N12. - c. 32. - Англ.

21. Hitachi, NEC show gigabit DRAM // Electron. Austrac. 1995. -57, N5. - c. 124. - Англ.

22. SEMATECH invests in SVG "s lithography efforts // Semicond. Int. 17, N13. - c. 24, 29. - Англ.

23. Овчаров В.Ф., Степанов B.B., Федоров Н.Н. Современное состояние и перспективы развития фотолитографии. // Зарубежная электюонная техника. 1976. - N1. - с. 3 - 59.

24. Лыньков Л.М., Прищепа С.Л. Физические и конструктивно -технололгические методы повышения разрешающей способности фотолитографии. // Зарубежная электронная техника. 1987. - N5. - с. 40 -57.

25. Лаврищев В.П., Штраусе Л.С. Прогнозирование размеров и профиля воспроизводимого на подложке элемента при групповой фотогравировке./ Электронная техника. Сер.З Микроэлектроника. -1976. -вып. 1 (61).

26. Боков Ю.С. и др. Оценка относительного влияния эффектов дифракции и отражения на точность воспроизведения элементов ИС в процессе контактной фотопечати. / Электронная техника. -Сер.З Микроэлектроника. 1977. - вып.2 (68).

27. Астафурова Н.И., Кольцов Ю.И., Мозжухин Д.Д. Фоторезисты и их применение в микроэлектронике. / Электронная промышленность. 1980.-N 8-9.

28. Моро У. Микролитография. / Пер. с англ. М.: Мир, 1990. -4.1 -605 е., 4.2 - 632 с.

29. Electronics, 1979, v.52, N 11, р.З.

30. Symp. VLSI Technol., 1982, pp. 92 93.

31. Мартынов B.B., Базарова Т.Е. Литографические процессы. / Сер. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. кн. 8. - М.: Высшая школа, 1990. - 128 с.

32. Черняев В.Н. Физико-химические процессы в технологии РЭА. М.: Высшая школа, 1987. - 376 с.

33. Курносов А.И., Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Высшая школа, 1986. - 368 с.

34. Парфенов О.Д. Технология микросхем.-М.:Высшая школа, 1986. 320 с.

35. Основы технологии светочувствительных материалов./ Под ред. В.И. Шеберстова. М.: Химия, 1977.

36. Белов Н.И., Мозжухин Д.Д., Рубцов И.Н. Позитивный фоторезист ФП 617. / Электронная промышленность. - 1975. - N 8. - с. 65-66.

37. IEEE Trans., 1979, v. ED 26, N 4, pp. 540 - 643.

38. Дэнси дзайре, 1981, т. 3, N 1, с. 57 61.41. Заявка ФРГ N303661542. Патент США N 438212043. Патент США N 444219944. Патент США N 4551416

39. Solid State Technol., 1981, v. 24, N 8, pp. 74 80.

40. Microelectron. Eng., 1985, v. 3, N 1 4, pp. 245 - 252.

41. Повышение разрешения субмикронной фотолитографии / Сагайдак Д.И., Тимофеева Г.И., Кухарчик JI.B. и др. // Электронная промышленность. 1994. - N 6. - с. 33 - 37. - Рус.

42. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. 3-е изд. перераб. М.: Химия, 1978. 544 с.

43. Виноградов Г.В., Малкин А.Я. Реология полимеров. М.: Химия, 1977. - 440 с.

44. МидлманС. Течение полимеров. / Под ред. А.Я.Малкина.- М.:Мир, 1971.-260 с.

45. Рейнер М. Реология. / Пер. с англ. под ред. Э.И.Григолюка.- М.: Наука, 1965. 224 с.

46. Папков С.П. Физико-химические основы переработки растворов полимеров. М.: Химия, 1971. - 372 с.

47. Малкин А.Я., Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия, 1979. - 304 с.

48. Гречановский В.А., Поддубный И .Я., Недойнова JI.A., Каменев Ю.Г. Об оценке молекулярно-массового распределения линейных полимеров по данным реологических измерений. Высокомол. со-ед., 1972, т(А)14, N10, с. 2267 2269.

49. Брагинский Г.И., Кудрна С.К. Технология основы кинофотопленок и магнитных лент. Л.: Химия, 1980. - 400 с.

50. Парамонов А.И., Прохоцкий Ю.М. Формирование пленок фоторезиста методом центрифугирования. / Электронная промышленность. 1975. - N6, с. 60.

51. Боков Ю.С. Фото-, электроно- и рентгенорезисты. 1982.

52. Челушкин Б.С., Кабанова Э.А., Чальцева Т.В. Исследование влияния условий формиравания фоторезистивных пленок на их толщину. / Электронная техника. Сер. 7 Технология, организация производства и оборудование. - 1978. - вып. 5 (90).

53. Быстров Ю.А. Технологический контроль размеров в микроэлектронном производстве. М.: Радио и связь, 1988.

54. Косыгина Л.В., Музыкант А.Ф. Исследование причин разброса по толщине резистивных покрытий. / Электронная промышленность. 1984. - N4.

55. G.Stevens, Microphotography, Wiley, New York, 1967.

56. P.Concidine, J. Opt. Soc. Am. 56, 1001 (1966).

57. M.Bolsen, O.Buhr, H.Merrem and K.Van Werden, Solid State Technol, Feb. 1986, p. 83.

58. K.Tai, R.Vadimsky, C.Kemmer, J.Wagner, V.Lambertini and A.Timko, J.Vac.Sci. Technol. 17, 1169 (1980).

59. F.Dili, A.Neureuther, J.Tuttle and E.Walker, IEEE Trans. Electron. Devices ED-22,445 (1975).

60. M.OToole, R.Liu and M.Chang, IEEE Trans. Electron.Devices ED-28, 1405(1981).

61. T.Brunner and R.Allen, IEEE Electron Device Lett. EDL-6, 329 (1985).

62. B.Allson, Microelectron. Manuf. Test, July,1981,p.28.

63. C.Kim and W.Ham, RCA Rev. 39,565 (1978).

64. C.Deckert and D.Peters, Solid State Technol.,Jan. 1980,p.76.

65. Нисиуми. Технология микрофототравления. "Денси дзай-ре", 1973, т. 6, с. 42.

66. Claik J. Properties and Processes for Pfotoresists in Se miconductor Manyfacture." Solid State Technoljgy1971, v. 14, N 6, p.52.

67. Clark J. Properties and Processes for Pfotoresists in Se miconductor Manyfacture." Solid State Technoljgy1971, v. 14, N9, p.48.

68. Гайнуллина H.P., Федорина И.А., Галеев P.A. и др. Исследование процесса пленкообразования из растворов триацетата целлюлозы повышенной концентрации. / Сб. научных трудов ГосНИИхим-фотопроекта. М. - 1985. - с. 172.

69. А.С. СССР N 1060620 МКИ С08 В 3 / 06 . Установка для получения пленкообразующего раствора триацетата целлюлозы. / Галеев Р.А., Аюпов Р.Ш., Кудрявцев Н.М., Гайнуллина Н.Р. и др.// Б.И. N46 , 1983.

70. А.С. СССР N 1191099 МКИ В01 F 5 / 00. Статический смеситель. / Беккер И.П., Гайнуллина Н.Р., Римашевский М.В., Гусалов В.Д.//Б.И. N42 , 1985.

71. Кириллова Т.Б., Манько И.И., Родионов Р.А., Мозжухин Д.Д. Исследование разнотолщинности пленок позитивпого фоторезиста ФП 617 различными методами. / Электронная техника. - Сер. Материалы. - 1976. - вып. 10.

72. Фурман Ш.А., Эльгард З.Э. Фотометр для контроля толщины пленок по методу двух длин волн. / Приборы и техника эксперимента. 1984. - N 5 - с. 205-208.

73. Соболев И.В., Родионов Р.А. Неразрушающий контроль толщины пленки фоторезиста. / Электронная техника. Сер. Материалы. - 1978. - вып. 8. - с. 125.

74. Бараш Е.Г. Автоматический неразрушающий контроль толщины пленок фоторезиста. / Инф. листок N 85.- 1172. М.: ВИ-МИ - 1985. - с. 2.

75. Родионов Р.А., Мозжухин Д.Д., Кудрявцев Е.Н., Чупрасова Е.И. Исследование процесса пленкообразования позитивного фото-ре- зиста методами математической статистики и планирования экспери- мента. / Электронная техника. Сер. Материалы. - 1976. -вып. 8.

76. Глудкин О.П., Обичкин Ю.Г., Блохин В.Г. Статистические методы в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры. / Под общ. ред. В.Н.Черняева. М.: Энергия, 1977. - 296 с.

77. Управление качеством электронных средств. / Под ред. проф. О.П.Глудкина. М.: Высшая школа, 1994. - 416 с.

78. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965.

79. Адлер Ю.П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1971.

80. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Советское радио, 1974. - 550 с.

81. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1975. - 48 с.

82. Шевцов М.В., Верзал А.И. Элементы статистических методов планирования экстремальных экспериментов. Минск : Полымя, 1969. 48 с.

83. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. -М.: Атомиздат, 1978. 233 с.

84. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З., Феоктистов Ю.П. Основы статистической теории радиосвязи : Полигауссовы модели и методы. Казань : КАИ, 1983. - 86 с.

85. Сафиуллин Н.З. Математические модели и анализ стохастических систем. / Уч. пособие. Казань : КГТУ, 1993. 80 с.

86. Сафиуллин H.3., Гайнушшна Н.Р., Федосеева Н.Я. Математическая модель процесса переноса рисунка фотошаблона на светочувствительный слой. Тезисы докладов научно-технической конференции " Модель проект 95 ". - Казань, 1995.

87. Гайнуллина Н.Р., Сафиуллин Н.З., Федосеева Н.Я., Вали-това Ф.К. Анализ процесса фотолитографии в условиях флуктуации толщины светочувчтвительного слоя. / Препринт 97П2. Казань, Казанск. гос. техн. ун - т, 1997. - 24 с.

88. Оптимальный синтез фотошаблонов с учетом рандомизи-рующих факторов производства. Отчет о научно-исследовательской работе. Казань, Казанский гос.технич.ун-т им.Туполева, 1994. 53 с.

89. Чабдаров Ш.М., Сафиуллин Н.З. Моделирование негаус-совских случайных процессов. Вторая международная научно -технич. конференция "Актуальные проблемы фундаментальных наук." М. Россия, Техносфера - Информ, 1994. - 4 с.

90. Сафиуллин Н.З., Беспальчик А.И. Статистический выбор альтернативных вариантов технологических процессов. Метод, указания, Казань, Казанск. гос. техн. ун-т, 1993. 14 с.

91. Сафиуллин H.3., Федосеева Н.Я., Валитова Ф.К. Классификация и оптимальный выбор технологических процессов изготовления пленочных структур. Научно-техн. конф-я, посвященная 50 -летию НИЧ КГТУ, Казань, Казан, гос. техн. ун-т, 1994.

92. Сафиуллин Н.З. Статистический анализ фотолитографических процессов и синтез фотошаблона. // Радиоэлектронные устройства и системы. Межвузовский сборник научных трудов, Казань, Казанск. гос. техн. ун-т, 1996.

93. Сафиуллин Н.З. Анализ и моделирование негауссовских процессов. Совместные труды по авиации и космонавтике КГТУ им. Туполева и Нанкинский университет авиации и астронавтики. Вып.2. 1994.-6 с.

94. Сафиуллин Н.З. Оптимальный синтез фотошаблонов с учетом возмущающих факторов производства. Научно техн. конф-я, посвященная 50 - летию НИЧ КГТУ, Казань, Казанск. гос. техн. ун-т, 1994.

95. Заявка Японии N 4-81856, H01L 21/027 РЖ ИСМ 104-2-95.

96. Заявка Японии N 5-48928, H01L 21/027 РЖ ИСМ 104-22-95.

97. Гайнуллина Н.Р., Сафиуллин Н.З. Фотошаблон для фотолитографии. Заявка на изобретение N97100107/25 с решением о выдаче патента РФ от 06.01.97.

98. При непосредственном участии Н.Р.Гайнулпиной осуществлено внедрение опытно промышленной линии для изготовления пленочного фоторезиста, содержащей статический смеситель.

99. Наличие статического смесителя позволило добиться большей однородности пленкообразующего раствора по вязкости и температуре, что привело к снижению разнотолщинности пленочного фоторезиста.

100. Экономический эффект от внедрения составил 2,3 млн. руб.

101. Результаты исследований использованы при разработке методических пособий по выполнению курсовых проектов и лабораторных работ по указанным курсам.

102. Декан радиотехнического ф та, к.т.н., профессор

103. Зав. кафедрой ТРЭС, д.т.н., профессор1. Н.З. Сафиуллин1. Доцент каф. ТРЭС, к.т.н.1. Н.Я. Федосеева1. УЩ^^ЖДАЮ

104. В процессах фотолитографии при изготовлении ТТР использовался оптимальный фотошаблон, созданный по методике, разработанной при выполнении диссертационной работы Гайнуллиной Н.Р.

105. Применение оптимального фотошаблона позволило увеличить процент выхода годных изделий с одной подложки.1. Зав. отделом1. В.В.Никитин1. УТВЕРЖДАЮ

106. Начальник отдела N2 у - А.А.Илюхин