СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТНОЙ МАСКИ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАЗРЕШЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
METHOD OF MAKING RESIST MASK WITH WIDE IMAGE RESOLUTION RANGE

Изобретение относится к технологии изготовления резистных масок в производстве микросхем, в частности изготовления резистных масок с расширенным диапазоном разрешения изображений, основанного на сочетании формирования в слое позитивного фоторезиста участков резистной маски с разрешением, ограниченным возможностями оптической фотолитографии, и получения элементов резистной маски с наномасштабным разрешением методом избирательного механического удаления слоя позитивного фоторезиста посредством зонда атомно-силового микроскопа.
Задача использования при изготовлении резистных масок, содержащих участки с низким разрешением изображения и элементы с высоким разрешением изображения, проблемного в реализации сочетания преимуществ традиционной фотолитографии (см., например, способы формирования фоторезистивной маски по патенту РФ №2195047, H01L 21/312, 2002 или по патенту US №4289573, G03F 7/40, H01L 021/306, B44C 001/22, C03C 015/00, C03C 025/06, 1981) и осваиваемых прецизионных (в нанометровых масштабах) методов избирательного механического удаления слоя фоторезиста с помощью наноинструмента (см., например, литографию с использованием набора сканирующих игл по патенту US №7931844, B29C 59/00, B28B 11/00, 2011), имеет актуальный характер.
Указанное современное технологическое направление характеризуется промышленным спросом на оптимизацию изложенного выше способа изготовления резистных масок с расширенным диапазоном разрешения изображений в связи с разнородностью операций фотолитографии и избирательного механического удаления слоя позитивного фоторезиста с помощью зонда атомно-силового микроскопа и повышенной трудоемкостью такого удаления.
Уровень техники в области изготовления резистных масок подтверждает недостаточно высокую эффективность включения в единый технологический процесс разнородных операций фотолитографии и избирательного механического удаления слоя позитивного фоторезиста с помощью зонда атомно-силового микроскопа, которые представлены:
операциями формирования фоторезистных масок позитивного типа на подложке, включающими нанесение на подложку слоя фоторезистных композиций, содержащих новолачную смолу и производное орто-нафтохинондиазида, сушку полученного слоя, избирательное экспонирование его видимым или ультрафиолетовым светом, послерадиационную термообработку и проявление фоторезистных масок в щелочных растворах (см., например, способ формирования фоторезистной маски позитивного типа в патентах РФ №2552461, G03C 1/52, H01L 21/32, C08K 5/16, C08K 5/28, 2015);
операцией избирательного механического удаления слоя фоторезиста с помощью зонда атомно-силового микроскопа (см., например, плохо воспроизводимый в условиях производства метод литографии на основе сканирующего термомеханического воздействия зондом атомно-силового микроскопа на полимерный резист по патенту US №8387160, G01Q 60/24, 2013).
В качестве недостаточно эффективного аналога - способа получения резистной маски, основанного на сочетании разнородных операций: формирования в тонком слое фоторезиста участков резистной маски с разрешением, ограниченным возможностями оптической фотолитографии (на уровне микронных размеров деталей фотолитографического изображения), и получения элементов резистной маски с наномасштабным разрешением (на уровне минимальных размеров изображения в несколько десятков нанометров) методом избирательного механического удаления слоя позитивного фоторезиста посредством зонда атомно-силового микроскопа можно привести обладающий повышенной трудоемкостью метод, состоящий из нанесения на подложку тонкого слоя резиста методом центрифугирования; получения резистной маски в сформированном слое фоторезиста методом фотолитографии, включающем экспонирование слоя фоторезиста ультрафиолетовым светом и проявление рельефа изображения с последующей термической обработкой слоя резистной маски при высоких температурах, достаточных для улучшения механических свойств резистной маски, нахождения при помощи атомно-силового микроскопа областей маски, в которых необходимо произвести прорисовку элементов с нанометровыми размерами, и прорисовки недостающих элементов резистной маски при помощи зонда атомно-силового микроскопа, причем недостаточно качественная и трудоемкая прорисовка состояла в модификации слоя резистной маски методом избирательного надавливания зондом на требуемые участки фоторезиста с образованием в фоторезисте ряда ямок (см. изложенный метод в статье на англ. яз. авторов Wiesauer K., Springholz G. «Fabrication of semiconductor nanostructures by nanoindentation of photoresist layers using atomic force microscopy» - J. Appl. Phys., 2000, 88(12), P. 7289-7297).
Прототипом заявляемого способа выбран известный (см. описание изобретения к патенту JP №2001291656, B82B 1/00, G03F 7/20, H01L 21/027, 2001) способ изготовления резистной маски с расширенным диапазоном разрешения изображения, включающий на первом этапе формирование в нанесенном позитивном фоторезисте больших по площади участков резистной маски с низким разрешением изображения (на уровне от микронных размеров деталей фотолитографического изображения до миллиметровых размеров) методом фотолитографии и на втором этапе на сохраненных от облучения светом при осуществлении фотолитографии участках указанного фоторезиста получение мелких элементов резистной маски с высоким разрешением изображения (на уровне минимальных размеров изображения в несколько десятков нанометров) методом избирательного механического удаления слоя фоторезиста посредством зонда атомно-силового микроскопа, представляющего собой сканирующую зондовую литографию.
Способ-прототип характеризуется также высокой разнородностью двух его этапов, что снижает технологичность его промышленного освоения, а также повышенной трудоемкостью в связи с детальной прорисовкой с помощью сканирующего зонда элементов резистной маски с высоким разрешением изображения.
Технический результат предлагаемого изобретения - разработка способа изготовления резистной маски позитивного типа с расширенным диапазоном разрешения изображения, основанного на сочетании менее разнородных операций: формирования на первом этапе в слое позитивного фоторезиста участков резистной маски с разрешением, ограниченным возможностями оптической фотолитографии, и получения на втором этапе элементов резистной маски с наномасштабным разрешением методом избирательного механического удаления слоя позитивного фоторезиста посредством зонда атомно-силового микроскопа, для чего в местах расположения пробельных фрагментов указанных элементов формируют с помощью зонда атомно-силового микроскопа узкие выемки с высоким разрешением под указанные фрагменты, после чего для увеличения размеров этих выемок до размеров требуемых пробельных фрагментов проводят экспонирование светом всей поверхности резистной маски с дозой облучения, приводящей к увеличению растворимости позитивного фоторезиста без превышения ее нижней пороговой величины в интервале растворимостей, задаваемом технологическим процессом проявления на первом этапе, и последующее проявление элементов резистной маски с наномасштабным разрешением изображения, в результате чего повышается технологичность способа в связи со снижением разнородности его этапов (за счет снижения на втором этапе доли и изменения функциональной роли использования зонда в качестве средства атомно-силовой микроскопии, т.к. зонд в предлагаемом способе является начальным наметочным средством, вместо основного рабочего средства в способе-прототипе, а основную роль в формировании элементов с нанометровыми размерами выполняет фотолитография с уменьшенной дозой облучения, в соответствии с соблюдением предлагаемого существенного условия - вызываемого при этом увеличения растворимости позитивного фоторезиста, меньшего, чем требуется на стадии получения изображения с малым разрешением, и снижается трудоемкость способа в связи с исключением необходимости детальной «прорисовки» (скрайбирования) зондом элементов резистной маски с наномасштабным разрешением по всей площади формируемых пробельных фрагментов изображения резистной маски, а также повышается контролируемость получения размеров пробельных фрагментов указанных элементов за счет технологических возможностей регулирования размеров этих элементов.
Для достижения указанного технического результата в способе изготовления резистной маски с расширенным диапазоном разрешения изображения, включающем на первом этапе формирование в нанесенном позитивном фоторезисте участков резистной маски с низким разрешением изображения методом фотолитографии и на втором этапе получение на сохраненных от облучения светом при осуществлении фотолитографии участках указанного фоторезиста элементов резистной маски с высоким разрешением изображения методом избирательного механического удаления слоя фоторезиста посредством зонда атомно-силового микроскопа, на втором этапе на участках позитивного фоторезиста, предназначенных для получения элементов резистной маски с высоким разрешением изображения, в местах расположения пробельных фрагментов указанных элементов формируют с помощью зонда атомно-силового микроскопа узкие выемки с высоким разрешением под указанные фрагменты, после чего для увеличения размеров этих выемок до требуемых размеров указанных пробельных фрагментов проводят экспонирование светом всей поверхности резистной маски с дозой облучения, приводящей к увеличению растворимости позитивного фоторезиста без превышения ее нижней пороговой величины в интервале растворимостей, задаваемом технологическим процессом на первом этапе, и последующее проявление элементов резистной маски с высоким разрешением изображения.
2
В частном случае осуществления предлагаемого способа в качестве позитивного фоторезиста используют фоторезист, содержащий новолачную смолу, производное орто-нафтохинондиазида и растворитель, а экспонирование ультрафиолетовым светом всей поверхности резистной маски на втором этапе предлагаемого способа проводят с дозой облучения, не менее чем в 2-5 раз меньшей, чем доза облучения участков резистной маски с низким разрешением изображения на первом этапе предлагаемого способа, и равной, например, 40 мДж/см.
На фиг. 1 представлена схема изготовления резистной маски с расширенным диапазоном разрешения изображения в соответствии с предлагаемым способом; на фиг. 2 - внешний вид зонда атомно-силового микроскопа для избирательного механического удаления слоя фоторезиста при получении на втором этапе предлагаемого способа элементов резистной маски с высоким разрешением изображения; на фиг. 3 - микрофотографии образцов элементов резистной маски с наномасштабным разрешением изображения на различных стадиях второго этапа предлагаемого способа; на фиг. 4 - кривая зависимости толщины пленки позитивного фоторезиста, оставшейся после проявления на втором этапе предлагаемого способа, от дозы облучения ультрафиолетовым светом, иллюстрирующая наличие нижней пороговой величины растворимости позитивного фоторезиста, соответствующей дозе облучения Dʺ, в интервале растворимостей при дозах облучения более D,ʺ задаваемом технологическим процессом на первом этапе.
Предлагаемый способ осуществляют в соответствии с приведенным примером его проведения, причем сущность изобретения иллюстрируется, но не исчерпывается этим примером.
1
2
На первом этапе фоторезистную пленку 1 (см. фиг. 1А) формировали из позитивных фоторезистов, таких как S 1813, ФП 383, ФП 9120, методом центрифугирования на подложке 2 из кремния с помощью центрифуги марки SM-180 ВТ (фирма SAWATEC AG SAWATZKI TECHNOLOGY, Лихтенштейн). Скорость вращения этой центрифуги при нанесении указанного фоторезиста поддерживали равной 4000 об/мин, а ускорение - 1000 рад/с. Время нанесения составляло 30 с. Толщина сформированной пленки не превышала 1,5 мкм. Толщина сформированных слоев фоторезистной пленки контролировалась при помощи спектроскопического эллипсометра PhE-102 фирмы Microphotonics Inc (КНР). Время сушки фоторезиста составляло 30 мин. Сушка фоторезиста проводилась в конвекционном шкафу при температурах 60±10°С. Для проведения экспонирования ультрафиолетовым светом использовалась установка ЭМ-5026 М1 (фирма ОАО «КБТЭМ-ОМО», Беларусь). Использовался светофильтр с максимумом пропускания 400 мкм. Время экспонирования составляло 35 с. Примерная доза облучения при экспонировании была равна D=90 мДж/см.
Экспонирование проводили контактным способом с вакуумным прижимом через фотошаблон для формирования участков с разрешением, соответствующим возможностям оптической фотолитографии (микронным), и сохраненных от облучения ультрафиолетовым светом участков-заготовок под элементы резистной маски с наномасштабным разрешением изображения. Образцы проявляли в проявителе MF-319. Время проявления проэкспонированных участков (рисунок топологии) фоторезиста S1813 было 12-15 с. После проявления образцы сушили в токе сжатого воздуха в течение 15-20 с. Линейные размеры сформированных участков обоих видов (см. на фиг. 1В два сохраненных от облучения ультрафиолетовым светом участка 3 - заготовки под элементы резистной маски с наномасштабным разрешением изображения) измеряли на микроскопе Leica DM400M (фирма Leica Microsystems Wetzlar GmbH, Германия) с программным обеспечением ImageScopeColor (фирма ООО "Системы для микроскопии и анализа", Россия).
На втором этапе сформированный методом контактной фотолитографии топологический рисунок подвергался исследованию и модификации на атомно-силовом микроскопе NT-MDT Solver Pro М (фирма НТ-МДТ, Россия) в соответствии со схемой на фиг. 1С и 1D. Использовался зонд NT-MDT ETALON HA_HR (фирма НТ-МДТ, Россия см. на сайте в Интернет: http://www.ntmdt-tips.com/products/view/ha-hr), форма которого с его концом, имеющим коническую форму (на протяжении последних 200 нм), показана на фиг. 2.
Сначала проводились предварительные исследования с целью получения морфологии поверхности фоторезистной пленки 1 и нахождения на сохраненных от облучения ультрафиолетовым светом участков 3 (заготовок под элементы резистной маски с наномасштабным разрешением изображения) рисунка для его дальнейшей модификации (см. фиг. 3а).
Затем топологический рисунок подвергался модификации (скрайбированию) на атомно-силовом микроскопе. Модификация заключалась в механическом воздействии зондом, в частности концом упомянутого зонда, на фоторезистную пленку 1 в местах расположения пробельных фрагментов формируемых элементов резистной маски с наномасштабным разрешением, в результате которого при использовании метода динамической и статической силовой литографии с помощью зонда атомно-силового микроскопа формировали крестообразные вертикальные узкие выемки (канавки или прорези) 4 (см. фиг. 1С) с шириной конического конца указанного зонда на субмикронную глубину в слое фоторезистной пленки 1 на неполную или полную глубину слоя фоторезистной пленки.
2
1
2
2
Затем проводили исследование морфологии поверхности полученного элемента резистной маски с наномасштабным разрешением с целью его контроля (см. фиг. 3б) и подвергали всю резистную маску сплошной засветке ультрафиолетовым светом с дозой облучения D=40 мДж/см, выбранной из интервала доз облучения: (1/2-1/5)D и приводящей к увеличению растворимости позитивного фоторезиста S1813 без превышения ее нижней пороговой величины, соответствующей на фиг. 4 дозе обучения Dʺ, составляющей примерно 70 мДж/см (величина дозы облучения D' на фиг. 4 соответствует началу появления растворимости позитивного фоторезиста вследствие экспонирования ультрафиолетовым светом и зависит от материала фоторезиста), в интервале растворимостей, задаваемых технологическим процессом проявления на первом этапе. Время экспонирования составляло 5 с. Время дополнительного проявления элементов резистной маски с наномасштабным разрешением после указанного облучения составило 3 с.
После проявления элементов резистной маски с наномасштабным разрешением фоторезистной пленки ее поверхность вновь подвергалась исследованию на атомно-силовом микроскопе с целью контроля полученных изменений в топологическом рисунке в пределах задаваемых размеров крестообразных пробельных фрагментов 5 формируемых элементов резистной маски с наномасштабным разрешением (см. фиг. 1D и фиг. 3в).
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает изготовление резистных масок с расширенным диапазоном разрешения изображения на более высоком эффективном уровне в результате повышения технологичности и уменьшения трудоемкости изготовления за счет снижения времени использования оборудования атомно-силовой микроскопии.