автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование особенностей воздействия ионного облучения на свойства полимерных масок в процессах микроструктурирования

РГб од

I () ДПР {РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ 'пРОБЛ ЕЛ\ ТЕХНОЛОГИИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ОСОБО ЧИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

На правах рукописи

КОВАЛЬ Юрий Иванович

УДК 621.382

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА СВОЙСТВА ПОЛИМЕРНЫХ МАСОК В ПРОЦЕССАХ МИКРОСТРУКТУРИРОВАНИЯ

Специальность 05.27.01. — твердотельная электроника и микроэлектроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1993

Работа выполнена в Институте проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Кудряшов В. А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Орликовский А. А., кандидат физико-математических наук Василец В. Н.

Ведущая организация: Физический факультет МГУ

Защита состоится „2?1_" __ 1993г. _час.

на заседании специализированного совета Д 003.90.01 в Институте проблем технологии микроэлектроники РАН по адресу: пос. Черноголовка, Московской обл., ИПТМ РАН.

С диссертационной работой .можно ознакомиться в библиотеке Института проблем технологии микроэлектроники и особо-чистых 'материалов РАН. Справки по тел. 72-24.

2-й ^Р-глЛ

Автореферат разослан «-»_и___199года.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук

© Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы:

В настояшее время для процессов травления в технологии микроэлектроники характерно ужесточение требований, в частности-, по анизотропии и разрешению. Наиболее распространенные на сегодняшний день плазмо-химичоское и реактивное ионное травление зачастую не позволяют добиться желаемых результатов. Более современные методы, к которым можно отнеси ионно-лучеЕое (ИЛТО и реактивное иончо-лучевое травление (РШЮ, с одной стопам сложнее аппаратурно и менее производительны, с другой сторонч обладают рядом характеристик, коте pue делают их более привлекательными с точки зрения развития технологии. •В частности, все лучев-е методы предоставляют широкие.» возможности для осуществления, 'контроля, "ак параметров травления, так и свойств изготавливаемых структур, непосредственно во время травления. Однако и для ИЛТ, и для РШГГ имеется целый ряд проблем. И, пожалуй, одна из наиболее острых связана с .маскированием поверхности. Исходной маской во всех процессах микроструктурирования служат розисты, которые; как известно, обладают невысокой стойкостью к ионному тоавлёнию. • Более того, проблема усугубляется тем, что с переходом к размерам структур менее 1 мкм фотолитография заменяется электроннолучевой и рентгеновской литографией, а электронные и рентгеновские резисты, -во-первых, имеют меньшую толщину, а во-ьторых, характеризуются более низкой стойкостью, чем фзторе-зисты. Кроме того, точный перенос рисунка в Функциональный

1 '

слой затрудняется фацетированием маски, связанны с угловой зависимостью скорости травления при физическом распылении, что снижает и без того невысокие свойства резистов как маскирующих пск'рытий при ИЛТ. Для решения проблем маскирования ■необходим поиск способов улучшения стойкости резиотов, а так-ге развитие методов позволяющих получать толстые и более стойкие маски (например техника трехслойного резиста). Развитие техники трехслойного резиста позволяет помимо задачи создания маски с приемлемыми параметрами решать проблемы плана-ризаиии поверхности. Актуальность проблемы планаризации можно проследить на примере некоторых задач криозлектроники, связанных с изготовлением микроструктур в ВТСП керамических пленках. Керовыя поверность шэгих эпитакскальнкх ВТСП пленок (приближается к структуре "апельсиновой корки") связана с бсоб^ниостями процессов нанесения,' и без предварительной пла-нзризацйи превгдение вксокоразреыающей литографии на такой поверхности, практически, невозможно. Использование трехслойного рчзиста и вксоксакизотропных лучевых методов ИАТ и РШГГ-оукрывают, новые возможности для формирования структур. А относительная простота проведения травления охлохленних дс температуры такого азота и находящихся в сверхпроводящем состояли сЛря чцов позволяет непосредственно во время переноса рис.уН|^з в пленку контролировать свойства и, параметры этих структур.

[к-льг: тиной работы яклл.юск:

1) получение ношх данных о механизмах иошю-лучепого,

• •. • ' г-

травления полимерных пленок, исследование особенностей влияния ионной имплантации,' присутствия кислорода в камере образца, температур!!-образца, типа и энергии ионов на характеристики гравления резистов.

2) npi-менения полученных результатов для улучшения маскирующих свойств резистов при переносе рисунка методом ЮТ.

• 3) использование cclбонностей ИЛТ и разработанных способов создания ¡ласок повышенной стойкости в технологических процессах, позволяющих получать новые приборные структуры.

Научная ''овизна рьботк состсит в следукцеу:

1. Ионная имплантация Arf с энергией 150 кэВ вызывает значительные изменения в пленках резистов, которые приводят к уменьшению скорости их KIT. При отгм, впервые показано, что результирующая стойкость рези'.тоз к ИЛТ Ст. е. время, необходимое для стравливания всей пленки) не. зависит or лозы ионной имплантации ъ диапазоне доз lü14-1016 ион/cMf.

2. На основании данных по влиянии ионной имг. 'антэции на скорости ИЛТ резистов, а также анализа зависимостей скоростей ИЛТ резистов от энергии ионов можно сделать вывод о -значительном вкладе ралиационно-сти^лированных гтпоцессоо Сде-струкция и десорбция низкомолекулярных Фрагментов) з эрозии резистов при ИЛТ.

3. Впервые показано, что в результате ионной имплантации удается уменьшить уход размеров получаемых структур в Функциональный слой и повысить степень использования- масок из ре-

екстоя за счет уменьшения эф&шэ ¿.«цетирования.

4. Показано, что скорость травления полиимчда монет быть увеличена пс сраанению с Ш1Т нотами Аг+ /¡сдачей кислорода в камеру с б- зиа. При 'этом .эффгст .юность травления, определяется соотношением плотностей потоков ионов Аг+ и молекул кислорода J+/.,fti и возрастает более чем на порядок при меньше 3«10"^. Аналогичное увеличение эффективности травления достигается заменой рабочего газа ионного источника с Аг на 0?. .

5. Впервые показано, что при кислородное РЖГ полимерных пле • нок скорость травления монотонно возрастает в 1.5 раза с пениакшем температура образца от 295 ;<о 77К.

6. Полутени дакте по влиянию ШГС на свойства В'ГСП пленок. Показано, чго изменения свойств пленок вызываются не только уменьшением их толщины, не и радиационными повреждениями. При атом обнаружена влияние трех ректоров: собственно об пучения, нагрева' до комнатной температуры и контакта с атмосферным иозлуу.ом. После сблучения дозой 7>1013 ион/сн? толщина г пенки уменьшилась с 300 до 50 им, при этом температур;; перехода' оставалась вит 77К. Результаты. данник. экспериментов дают основание полагать, что методом ШТ возможно ! ".лучение трук-тур с размерами менее 0. 1 мкм с деградацией их свойств в допустимых пределах.

' ¡¡>%,1У-'.КК>'М. »работы сотом

1. :1[Ю1>€р-,Ч ЬЛ^МШ СКОРОСТИ ОБТОЧКИ КШЧ'И на ими-

гютрпп^к, йШ с точки з{л>ния' раос- -зния ».у«.*' при пъчтюрти-

4

ровке от ионного источника до образца. На основании расчетов , выработаны рекомендации по выбору оптимальной скорости откач-к-1 установок ИЛТ, при которой рассеяние ионов не превышает 10%.

2. Определены услсвия ионной имплгнтзции, ари которые возможно улучшение маскирующих свойств резистоз в процессах ионно-лучевого тоавлесия.

~>. На осноьвнж проведегных исследований мо.тао рекомендовать использование катодов ИТ Аг+ с добавкой 02 и кислородное РИЛТ в каче'..тбп методов переносе' изображения в основной слой трехслойного поз кета. Лри исполь:ювании данчн; методов воз-' можно достижение высокой сепектичности 040:1) и анизотропии, что дает возможность •'тор,.шро1?ать структуры в основном слое трехслойного резиста с большим отношением высоты к ширине (>10).

4.. Разработана мото.:мка Ферму,тозяния структур в ЗТСП пленках в установке "ЛТ с контролем их сверхпроводящих свойств непосредственно вг время травления.- Реалии ция основана на особенностях метода ШГГ. наиболее вадлыми из котооих для данного случс'1 являютст: нечувствительность параметров распиле.чия к температуре образца, высокий вак,-уы в камере <-бразца,- расположение образца н: заземленном сг.лик.э. РазрзСотанннй схлалс-даемгй многопизидионный столик позволяет проводить исследования свойств нескольких образцов без раэвакуумирования. Данная »»е годится огкгаюет широкие возможности для контролируемого управления свойствам"! пленок и структур'- •

Основный защищаемые положения:

1. Использование ионной имплантации для упрочения маскирующих свойств резистов приводит к уменьшению эффекта (^¡цитирования. В результате возрастает степень использования маски и уменьшается боковой уход изг /гавливземых структур.

2. Механизм ИЛТ резистов не сводится к известной модели каскадного распыления. Значительный вклад в эрозию вносят.ради-ационко-стииулировзнныэ процессы.

3. Присутствие молекулярного кислорода в камере образца приводит к ускорению ИЛТ полимерных резистов. При этом эффективность травления возрастает нл порядок при соотношении плотностей потоков ионов Аг+ и кислорода 3*10"^. Использование кислорода в качестве рабочего газа ионного источника вызывает аналогичное повышение эффективности травления. При этом наблюдаемый рост скорости травления с уменьшением температуры позволяет сделать вывод о значительной роли адсорбции кислорода как при ИЛТ Агч70г, гак и кислородном РШГГ.

4. С помощью ЮТ возможно формирование структур в В'ЮП плен--ках без деградации их сверхпроводящих свойств. При этом минимальный размер структур, при котором свойства пленки изменяются в допустимых пределах, определяется радиационными повреждениями и, в соответствии с получении.« данными, соочею-м-ет ме :ее 0.1 мкм.

Апробация "работы:

6

Основное' результаты, представленные в диссертации,, док*:; ладывались и обсуждались на следующих конференциях и е.. динарах: 12-я К дауйародная Конференция Хосейского Университета, Токио, Япония; 1-я Всесоюзная конференция по Ионно-лучевой модификации материалов, Черноголовка, СССР; 2-й Всесоюзный Семинар по микролитографии, Черноголовка, СССР; 2-я Международная конференция по Электронно-лучевым технологиям, Варна, Болгария; 4-й Международный Семинар по Микролитографии, Черноголовка, Россия.

Публикаиии:

Результаты опубликованы в 4-х статьях 6 'зарубежных и российских журналах (список в конце автореферата).

Структура и объем диссертации;

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 101 наименования. Общий объем работы составляет 111 страниц включая 42 рисунка и 3 таблицы. v' '

Крзткое содержание работы:

В начале введения кратко обосновывается необходимость дальнейшего развития лучевых методов'травления и описывается одна из наиболее острых проблем ионно-лучевого травления -проблема маскирования поверхности. Во второй части введения обосчовывается актуальность исследования'особенностей травле-

7

и поииса способов улучшения свойств резчстивних 'масск. .'. также даегсл анализ перспективности использования Р'Г и т.'Поткх реэитгивных мае. к в процессах формирования структур, ^ ВТСЛ пленке, ч.

' ' Р. перцг^ глпро ли'^рташц! представлен литературный обзор, состояний из пят .' параграфов. Первый параграф посвящен сравнительному обзору ШГГ и РШГГ с точки зрения используемых ионных источников, основных закономерностей влияния парэмет-рс-ц ""роцессов (.энергии и плотностг потока ионов, угла падения I. .-нов и добавок хими"-ски, активных'газов и т.д.). Во втором параграфа дается обзор литературы по ;пособам улучшения стойкости 'резне.ивних масок к различным воздействиям: нагреву, . химически активным средам, сухим методам травления. Особое внимание*уделяется воздеИсчвиь на. свойства резистов внеокоэ-нергетичного ионного облучения. Оосулцпшся приври использование ионной .имплантации для литографических ИроцооооЪ I! сухого проявления. Третий параграф поевлщен материалам, ксг.ов». . • .чус мим для трехслойного резиста, и способам изобра-

жения в оснеыич'! сл^й трехслойного резистч. В ш-

ригрзде оп^'.-ш-ч-тся пробиемн, росникаюадо при формировании С1ру.'п;.р с пленчм, и лаеюя обзор литературы, на оино-

С?И''И " ч Л'».'Г!'•' ■ -ч >»•»< .д о "И'иРТИ И'ЧЮ.Вк.ЧОРЧНИЯ

яял Л'шннх и«- П'-и Г.ЛТ. И, накинец, в им1им ищо! рэдо ни оони-Ы1!=:г.1 " ч!""Г'1 в 1.1-1.4 делится иыьолн и аормулирукпгя залочи д1'-".-«>р1гпи:<ч11КИ г:<6ош.

(3

сам, происходящим при ионной имплантации'(деструкция я десор;1-бция низкомолеку.пярных Фрагментов и сшивка полимерных цепей'/. ' Это позволяет так»3 объяснить экспериментальный такт,1. описанный в предыдущей г паве, который заключается в независимости результирующей стойкости "зезистов от дозы ионной имплантации1. Действи: льно, я'..очная имплантация, и ионно-лучевое тр«вл#-ни-."" - процессы, сходные по механизмам воздействия на полимерные материалы и отличаются лиыь энергией используемых ионоб. По--ому радиационно-стмулированные процессы в резистах, ви-лттеяда ис.чпми, происходят либо сразу в объеме пленки при и'. чнои пиилонгации, либо постепенно через распнляе^.П и 1-у • 'зо'мц пля-:гй и.ч остовиейся пленки резиста' поверхностней (.лчи

гг>и

Присутствие в камере образца молекулярного |'ис.*1<>г«

¡¡р'ччлыг к ускорению ИЛТ полимеров. На примере' полшшида О vio' -по;;.')ламо, что аЬКктимюсть травления опред^ля-тсп cvon¡'":v-

ни-.-м поj'""'1.

(ом.

Г!!.' - Т" V^ÍM'-'-'í!

со0

л г.:ц.)Р и •♦юл-'куя кислорода на порсрхнос.ь o'vn.Jw \ Cmi'.».-o .¡¿к^тнего влияния м>..*но л---Чн»,ся. /тх г.' Г.:: v гл иного г:птс;."1 ч г^-ч^ ,T¡-vг-i

;•' и г:р.'•.'■поло:шня:1, что ¡ ,. п.: 1м.':и" "i л'щ: >гм мо локулярнс! '<: 'л!'";.; ''"¡и п>.

:"■ в rv-pi\"M ■ iy; г i . ■!':!."•;. •! ти ■■

! i г.;

( !.

I'

ч

П' ¡M i." !•; 1!

П! П

Рис.2. Зависимость нормированной скорости ИЛТ полиимида конами Аг+ с энергией 1500 эВ (1), 1000 эВ (2), 400 эВ г.З) с г отношения плотностей потоков ионов и молекулярного кислорода на поверхность образца. Для сравнения приведена аналогичная зависимость скорости ИЛТ алюминия ионами Аг+ с- энергией 1000 эВ С4).

им CM

скорость травления,--,

^ г. мин тА

1000 и

000

600

400

200

0 50 100 150 200 250 300 350

Т, К

Рис.3. Зависимость приведенной скорости кислородного реактивного ионно-лучевого травления ПММА от температуры мишени для ионов с энергией 3GU эВ (1), 503 эВ (2), 1000 эВ (3).

• '• ' Оба способа - подача кислорода и кислородное РШТГ могут успешна применяться для переносе рисунка в основной слои трехслойного резиста. Проведенные эксперименты показывают ■ возможность получения структур с субмикронкыми размерами и отношением высоты к ширине 10:1. Были продемонстрированы характерные для данных способов эффе-,сты подтрава пристеночной области и фацетирования, которые при использовании описанных методов приводят к искажению получаемых- структур е "¡лоть до вырождения (островки превращаются в щели).

Б пятой главе диссертации описываются пиэце.л.ы изготовления структур в ВТСП пленках . Использование техники трехслойного резиста и ШТГ позволяют получать структуры с сохранением свойств исходного материала пленок. Изготовленный микромостик с ширинок"! 2 и ДЛ..НОЙ 3 м;<м имеет критический тс< 2 тА, Плотность критического тока 5*10ь А/см2 практически соответствует плотности тока исходного образца.

Наряду с отработкой технологии изготовления, структур в дг-чной главе представлены результаты по изучению радиационных ' псврекдени'Ч в. ВТСП пленке при ШТ. Данный вопрос представляется важным с точки зрения минимально; с размера структур, который можно получить' с помощью ШП'. Эксперимент заключался в утонении пленки в установке МТ и одновременном измерении температурной зависимости сопротивления. Возк ж-кють проводить измерения нс-посредсгвеьно в установке позволила разде-.жь.влияние трех йикторсв: собственно ионная бомбардировка, отогрев образца до комнатной температуры и воздействие атмо-

"'16

сферного воздуха. Все три фактора приводят как к понижению ?с, так и к росту сопротивления. Однако при уменьшении толщины пленки с 300 до 50 нм температура перехода по-прежнему оставалась выше температуры жидкого азота. Анализ полученных данных позволяет, считать, что возможно изготовление структур f размерами менее 0.1 мкм в ВТСП пленках с изменением свойств материала пленок в допусти!, jx пределах.

Выводы:

1. Ионная имплантация Аг+ с энергией 150 кэВ вызывает значительные изменения в' пленках резистов, которые приводят к уменьшению скорости их ИЛТ. При этом впервые показано, что результирующая стойкость резистов к ИЛТ (т.е. время, необходимое для стравливания всей пленки) не зависит от дозы ионной имплантации в диапазоне доз 1014-10*® ион/см^.

2. На основании данных по влиянию ионной. Имплантации на ско-pociи ШГГ резистов, а также анализа зависимостей скоростей ШГГ резистов о.т энергии ионов показано, что механизм ЖГ резистов не сводится к известной модели каскадного распыления Зигмунда. Значительный склад в эрозию вносят радиационно-стимулировшшые процессы.

3. Впервые показано, что в результате иогноп имплантации удается уменьшить ухоп размеров получаемых структур в ФУНКЦИОНАЛЬНОМ СДУС !! .'''.'""CIVl'l ''Т'Л'^'Ь -'^''[¡".Я !4ЧС<Ж ИЗ рёЗИС-тов ла счет умрчыпенич .эффекта Фпцетироиапия.

4. !Ькч vino, ч«о CKOIXJCTI. травления полиимида могют быть уве-.

17

■личена по сравнению с ИЛ Аг+ подачей кислорода в камеру образца. При этом эффективность травления определяется соотношением плотностей потоков ионов Аг+ и молекул кислорода J+/J0 и возрастает более чем на порядок при J+/Jq меньше 3*10"^. Аналогичное увеличение эффективности травления достигаемся заменой рабочего газа ионного источника с Аг на 0£.

5. Впервые показано, что при кислородном PIDTT полимерных пле • нок скорость травления монотонно возрастает в 1.5 раза с Понижением температуры образца от-295 до 77К.

6. Получены данные по влиянию ИЛТ на свойства ВГШ пленок. Показано, что изменения свойств пленок вызываются не только' уменьшением их толщины, но и радиационными повреждениями. После облучения дозой 7*10*® ион/см2 толщина пленки уменьшилась й 300 до 50 нм, при этом температура перехода оставалась выше 77К. Результаты данных экспериментов дают основание по-чагать, что методом ИЛТ возможно получение структур с размерами менее 0.1 мкм с деградацией их свойств в допустимых пределах .

Основные результаты опубликованы в следующих рзоотах: 1. Горбатов 10.В., Йиненко В.И., Коваль К).И. "Замедление иснно-лучевого т^авл^ния кремния и сеинцэ, имплантированных ионами С+ и В+." - Тезисы докл. Всесоюзной конференции по Ионно--лучевой модификации материалов, Черноголовка, 23-25 июня 1У87, с.236.

2.. Borsenko Т.В., yyalkin A.F., Gonchakova M.N., Zinenko

10

V.I., Kcyal Yu.I., Kudryashov V.A. "Ion beam etching of poly-: ' mer resist mask modified by ion implantation." - Proc. of 12th Int. Syrup. o.C Hosei University, Tokyo, Japan, Sept. 2-A, 1987, p. 399. '

3. Борзенко Т.Б., Вяткин А.Ф., Гончакова Н.Н., Зиненко Ь.И..Коваль Ю.И., Кудряшов В.А. "Влияние ионной имплантации на стойкость резистов к ионно-лучевому травлению." - Тезисы докл. Всесоюзной конференции по Ионно-лучевой модификации материалов, Черноголовка, 23-25 июня 1987, с.157.

4. Борзенко Т.Б., Вяткин А.Ф., Гончакова Н.Н., Зиненко В.И..Коваль Ю. И., Кудряшов В.А. "Влияние модификации резистоп с помощью ионной имплантации на их стойкость к ионно-лучевому травлению." - Поверхность, 8, 1988, 132.

5. Borsenko Т.В., Vyatkin A.F., Gonchakova N.N.,. Zlnenko V.I., Koval Yu.I., Kudryashov V.A. "The effect of ion Implantation on polymer mask resistance to ion-beam etching." - Vacuum, 39C11), 1S88, p.1007.

В. Зиненко В.И., Коваль Ю.И., Кудряшов В.А., Плотйцына О.А. "Перенос ..зображения с субмикроиными размерами в планаризу-ющий слой полиимида методом ионно-стимулированного травления." - Тезисы Отраслевой научно-технической конференции "Состояние и исследования в области создания высокоточной биполярной технологии СБИС и ССИС", 13-14 декабря, 1983, Воронеж, .Россия.' . •

7. Зинонко В.И., Коваль Ю.И., Кудряшов В.А., Плотйцына О.А. "Ионно стимулированное химическое травление планаризующего .

14''

слоя полиимида в трехслойном резисте. " - Тезисы 2-го Всесоюзного Семинара "Микролитография", Черноголовка, 11-14 апреля 1988, с,90.

8. Zlnenko V.l., Koval Yu.I., Kudryashov V.A., Plotltclna O.A. "Ion stimulated chemical etching of polylmlcie." - Proc. of 2nd Int. Conf. on Electron Beam Technologies,Varna, Bulgaria, May 31 - June 4 1Э88, p. 757.

9. Борзенко Т.Е., Коваль Ю.И. "Использование химического 'анизотропного травления кремния для изготовления полевых эмиттеров." - ' Тезисы 4-го Международного Сечаинара "Микролитография", Черноголовка, 17-16 мая 1992, с. 138.

10. Борзенко Т.Б., Коваль Ю.И., Кудряшов В. А. "Установка для экспонирования резистов широким пуком низкознергетичных электронов." - Тезисы 4-го Международного Семинара "Микролитографий1:, ^JtfUördinoöKä, 17-18 мая 19d2, с. 30.

И. Ильичев E.B.-, 1К®Шь'.'Ю.'И.., ¡Иванов A.A., Галкян С.А. "Влияние облучения 'ййзкоэнергеТичными ионами на свойства YBí)?Cu307_d эпИтаксиалбНых пленок." - Письма в КТФ, вып. 18, 1992.

12. Ильичев Е.В., Коваль Ю.И., Иванов A.A.-, Минушэнков А.П. "Способ ' йорийрования ^ микроструктур в мштаксиальных тонких пленках YBa-.CibQ-. л 'без деградации свойств материала пленок. "

L, \J I "U

- ;ПиеШа в )ВД\ 'вып. 15, -19Ö2.

03.1993г. Зак. .175. .. 055ёц Х.25гг.л. Тар.' 75зкз. Типография '(йй4 TAH