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Artigo de método

Uso de sacrificiais nanopartículas para eliminar os efeitos do Plano de ruído em contato Buracos fabricada por E-beam litografia

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DOI:

10.3791/54551

⸱

12 de fevereiro de 2017

 , 
1Department of Chemistry, Portland State University, 2Logic Technology Department, Intel Corporation

Neste artigo

Resumo

Uniformemente nanopartículas porte pode remover flutuações nas dimensões Contacto Furo estampados em poli (metacrilato de metila) filmes (PMMA) fotossensíveis por feixe de elétrons (E-beam) litografia. O processo envolve afunilamento eletrostática para centro e depósito de nanopartículas em furos de contacto, seguido por refluxo fotorresiste e passos plasma e wet-gravura.

Resumo

Nano-padrões fabricados com ultravioleta extremo (EUV) ou por feixe de elétrons (E-beam) variações inesperadas litografia exibição em tamanho. Esta variação tem sido atribuída a flutuações estatísticas no número de fotões / electrões que chegam num dado nano-região resultantes de tiro-ruído (SN). O SN varia inversamente com a raiz quadrada de um número de fótons / elétrons. Para uma dose fixa, o SN é maior em EUV e e-beam litografias do que para tradicional (193 nm) a litografia óptica. Bottom-up e padronização de cima para baixo abordagens são combinadas para minimizar os efeitos do ruído tiro na padronização nano-buraco. Especificamente, um amino-silano auto-monta surfactante sobre uma bolacha de silício que é subsequentemente spin-revestidos com um filme de 100 nm de um foto-resistente de feixe de electrões com base em PMMA. A exposição ao E-feixe e o desenvolvimento subsequente descobrir a película surfactante subjacente aos fundos dos furos. Mergulhando a bolacha numa suspensão de carga negativa, que se tapou-citrato, 20 nm gnanopartículas de idade (PNB) Depósitos uma partícula por furo. O filme tensioactivo carregado positivamente exposta no orifício electrostaticamente funis a nanopartícula carregada negativamente para o centro de um furo exposto, que fixa permanentemente a posição de registo. Em seguida, por aquecimento perto da temperatura de transição vítrea do polímero fotossensível, o filme fotorresistente reflui e engole as nanopartículas. Esse processo apaga os buracos afetadas pela SN, mas deixa os PNB depositados bloqueado no local por uma forte ligação eletrostática. O tratamento com plasma de oxigénio expõe as PNB por decapagem uma camada fina do material fotosensitivo. Wet-condicionamento dos PNB expostos com uma solução de I2 / KI produz buracos uniformes localizados no centro de entalhes estampados por litografia de feixe de electrões. As experiências apresentadas mostram que a abordagem reduz a variação do tamanho dos furos causados ​​por SN de 35% para menos de 10%. O método estende os limites de padrões de orifícios de contacto transistor para abaixo de 20 nm.

Introdução

O crescimento exponencial do poder computacional, como quantificada pela lei de Moore 1, 2 (1), é o resultado de avanços progressivos em litografia óptica. Nesta técnica de modelação de cima para baixo, a resolução alcançável, R, é dada pela bem conhecida Raleigh teorema 3:

figure-introduction-1

Aqui, λ e NA são o comprimento de onda da luz e abertura numérica, respectivamente. Note-se que NA = η · sinθ, onde η é o índice de refracção do meio entre a lente e a bolacha; θ = tan-1 (d / 2l) para o diâmetro, d, da lente, e a distância, L, entre o centro da lente e a bolacha. Durante os últimos cinquenta anos, a resolução litográfica tem melhorado através da utilização de (a) fonte de luzs, incluindo lasers excimer, com comprimentos de onda UV progressivamente menores; (b) modelos ópticos inteligentes que utilizam máscaras do turno da fase 4; e (c) mais elevada NA. Por exposição ao ar (η = 1), NA é sempre menor que a unidade, mas através da introdução de um líquido com η> 1, 5, tal como água, entre a lente e a bolacha, NA pode ser elevado acima de um, melhorando assim a resolução da litografia de imersão. Atualmente os caminhos viáveis para um nó de 20 nm e além incluem fontes de UV extremos (λ = 13 nm) ou técnicas de padronização através do processamento duplos e quádruplos complexo de um fotorresiste várias camadas 6, 7.

Em escalas nanômetros de comprimento, flutuações estatísticas, causadas por shot-ruído (SN), no número de fótons chegam dentro de uma causa variação nano-região nas dimensões de lithogra padrões diográficas. Estes efeitos são mais pronunciados com a exposição à luz EUV de alta energia e E-feixes, sistemas que necessitam de ordens de grandeza menos fotões / partículas em comparação com o normal oito litografia óptica. Supersensíveis amplificado quimicamente (com uma eficiência quântica> 1) fotorresistentes também introduzir um SN química provocada por uma variação do número de moléculas em fotorreactivos nanoregions expostas 9, 10. Fotorresistentes inferiores sensibilidade que necessitam de exposições mais longas suprimir estes efeitos, mas também reduzem o rendimento.

Na escala molecular, a contribuição para a linha de ponta de rugosidade a partir da distribuição de tamanho molecular inerente aos polímeros fotossensíveis pode ser reduzido pelo uso de resinas fotossensíveis moleculares 11. Uma abordagem que é complementar a este processamento de cima para baixo de nano-padronização é a utilização de métodos de baixo para cima 12,s = "xref"> 13 que dependem especificamente sobre a auto-montagem dirigida (DSA) de polímeros dibloco 14. A capacidade desses processos para dirigir a nucleação e para criar espaçamento não uniforme entre os padrões desejados, tais como furos ou linhas, permanece um desafio. A distribuição de tamanho dos componentes moleculares 15, 16, também limita a escala e produtividade de fabricação de 17, 18. Problemas semelhantes limitar impressão microcontact de nanopartículas em litografia macia 19.

Este artigo apresenta estudos de uma nova abordagem híbrida (Figura 1), que combina o clássico de cima para baixo projeção de litografia com a automontagem eletrostática direcionado para reduzir o efeito da SN rugosidade / line-edge (LER) 20. Carregado positivamente grupos amina em monocamadas auto-montadas (SAM) de N - (2-aminoetil)-11-Amino-undecil-metoxi-silano (AATMS) subjacente à película de PMMA são expostas após o desenvolvimento. O filme fotorresistente carregada negativamente de PMMA electrostaticamente funis de carga negativa nanopartículas de ouro (PNB), tampado com citrato, 21-24 em buracos afetados-SN 25. Re-fluxo do fotorresistente PMMA engole nanopartículas predeposited no filme.

figure-introduction-2
Figura 1: Representação esquemática da estratégia para eliminar os efeitos do shot-ruído e aspereza linha de ponta para o padrão de furos de contato usando NPs de tamanho preciso. Aqui, a dimensão crítica (CD) é o diâmetro desejado dos orifícios. A abordagem (passo 1) começa com a deposição de uma monocamada auto-montada (SAM) da molécula de silano tendo grupos amina carregados positivamente sobre o óxido de surfás de uma pastilha de silício. Em seguida, a litografia de feixe de electrões é usado para padrão de orifícios (Passos 2 e 3) em PMMA filme foto-resistente, a camada de azul, que gera tiro-ruído, tal como ilustrado na Imagem SEM inserir. Litografia expõe grupos amina na parte inferior dos orifícios. Passo 4 implica a deposição em fase aquosa de tamanho controlado, (carga negativa) nanopartículas de ouro cobertas de citrato (PNB) em buracos lithographically estampados utilizando afunilamento eletrostática (EF). No passo 5, o aquecimento da bolacha a 100 ° C, abaixo da temperatura de transição vítrea do PMMA, 110 ° C, faz com que o refluxo do fotorresistente em torno de nanopartículas pré-depositados. Etching sobreposta PMMA com plasma de oxigénio (passo 6) expõe as PNB, e subsequente molhado-condicionante (iodo) das partículas expostas (passo 7) cria orifícios correspondentes ao tamanho das PNB. Quando acoplada com Reactive-ião / molhado-gravar, é possível transferir o padrão de furos no fotorresistente de SiO 2 (passo 8) 31. Réimpresso com a permissão de referência 20. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A interacção electrostática entre as cargas opostas e PNB grupos amina sobre o substrato impede o deslocamento das PNB do local de ligação. A etapa de refusão mantém a posição relativa dos PNB, mas apaga os buracos e os efeitos da SN / LER. Plasma / etapas corrosão úmida regenerar buracos que têm o tamanho do PIB. Gravura reativa-ion transfere o seu padrão de SiO 2 camadas hard-máscara. O método baseia-se na utilização de mais uniformemente do que um tamanho nanopartículas nanohole modelado (NH), expressa como o desvio padrão, σ, de tal modo que σ PNB <σ NH. Este relatório centra-se em etapas (4 e 5 descritos na Figura 1), envolvendo a deposição de nanopartículas de dispersão e darefluxo do fotorresistente em torno deles para avaliar as vantagens e limitações do método. Ambos os passos são, em princípio, adaptar a substratos maiores, sem necessidade de grande modificação do fluxo de corrente de produção modernos circuitos integrados em batatas fritas.

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Protocolo

1. derivatizar e caracterização da superfície das bolachas de silício

  1. Limpe a superfície de pastilhas usando Radio Corporation of America (RCA) de limpeza soluções SC1 e SC2.
  2. Prepare SC1 e SC2 por volumetricamente misturando os seguintes produtos químicos:
    SC1: H2O 2: NH4OH: H2O = 1: 1: 5 v / v e SC2: H2O 2: HCI: H2O = 1: 1: 5 v / v.
    1. Imergir a bolacha em SC1 durante 10 min a 70 ° C, e, em seguida, executar uma lavagem com água desionizada.
    2. Seguir um protocolo semelhante para SC2 (10 min a 70 ° C, seguido por uma lavagem).
      NOTA: O procedimento de limpeza remove impurezas orgânicas e iónicos e gera grupos silanol na superfície de óxido de silício das bolachas de silício.
  3. Derivatizar as superfícies das bolachas de silício com AATMS
    1. Incubar a placa de silício limpos em 0,05 M AATMS (preparado em dRY tolueno) a 80 ° C durante 20 min. Sonicar durante 5 min num sonicador de 100 W a temperatura ambiente no seio de tolueno puro durante 5 minutos e seco numa corrente de azoto gasoso.
  4. Caracterizar as superfícies das bolachas de silício derivatizados
    1. Medir o ângulo de contato usando um goniômetro e ImageJ software 25.
    2. Determinar a espessura das películas utilizando um elipsómetro (fonte de luz laser He-Ne, λ = 632,8 nm, fixa o ângulo de incidência de 70 °) 25.
    3. Estimar a composição elementar de superfície por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS) 25.

Padronização 2. E-beam

  1. fotorresistente spin-revestimento (2% de poli (metacrilato de metilo (PMMA) em anisole) em wafers derivatizados AATMS- a 4.000 rpm durante 60 s.
  2. Prebake do filme a 180 ° C durante 120 segundos para secar a película de material fotosensitivo.
  3. Medir a espessura da película fotorresistenteutilizando um elipsómetro. Certifique-se de que a fonte de luz laser He-Ne, λ = 632,8 nm, é fixado a um ângulo de incidência de 70 °. Optimizar a fase de amostra para maximizar o sinal do detector utilizando uma superfície reflectora, tal como pastilha de silício. Use o programa de medição elipsometria (GEMP) no PC ligado ao medir a espessura de filme fotorresistente; ele deve ser de cerca de 100 nm.
  4. Exposição E-beam:
    1. Transferir a bolacha para uma câmara de alto vácuo de um alinhador de feixe de electrões.
    2. Criar um padrão de furos de ponto de poker usando um feixe de electrões (30 kV tensão de aceleração, a corrente do feixe 37 pA) que passa através de uma abertura 10 mícrons e proporcionando uma dose de 24 uC / cm3.
    3. Ajustar o tom padrão e dosagem conforme necessário para produzir um buraco-padrão de poker do tipo ponto do diâmetro desejado orifício (80 nm) e arremesso (200 nm).
    4. Remover a bolacha a partir da câmara de feixe de electrões.
  5. Desenvolver o padrão litográfica:
    1. Iníciodesenvolvimento padrão em uma solução de metil-isobutil-cetona / álcool isopropílico (MIBK / IPA, 1: 3 (v: v)) durante 70 s.
    2. Continuar a desenvolver ainda mais por imersão em IPA por 30 s. Concluir o desenvolvimento por lavagem em água deionizada por 30 s. Seca-se a bolacha em uma corrente de azoto gasoso.

3. A deposição de PNB em buracos-E-feixe modelado

NOTA: Deposição de PNB em furos estampados emprega dois métodos diferentes.

  1. Mergulhe wafers pré-modeladas em soluções PNB (método 1).
    1. Deixar a amostra no meio de suspensão PNB durante 24-48 horas, dependendo do tamanho do PNB e os diâmetros dos orifícios. Use a 20 nm, suspensão PNB cobertas de citrato contendo 7,0 x 10 11 PN / ml.
      NOTA: Pode-se utilizar um tamanho PNB 10-100 nm e uma faixa de concentração de 5,7 x 10 12-5,7 x 10 9 PN / mL, conforme previsto por Ted Pella. Note-se que a densidade de deposição obedecea lei de difusão ̴ (dT) 1/2, em que D e T são os coeficientes de difusão do tempo de nanopartículas e deposição, respectivamente (ou seja, as partículas mais pequenas levar um tempo mais curto para a deposição, como discutido na referência 20, Figura 2c).
  2. PNB Spray-Depósito À wafers padronizadas (método 2)
    1. Para depositar PNB por evaporação, pulverizar uma solução de PNB modelado sobre o substrato, colocado na horizontal. Orientar o pulverizador de mão (Método 2) de modo que a pulverização é dirigida perpendicularmente à superfície do substrato.
    2. Pulverizar um volume suficiente da solução de suspensão, para molhar a superfície do substrato inteiro.
      NOTA: Pode ser necessário diluir a suspensão PNB por 10x para evitar forçando várias nanopartículas em um grande buraco.
    3. Incubar as amostras numa placa quente mantida a 30-35 ° C para produzir a evaporação controlada durante 10 min.
  3. Após a deposição (por qualquer dos métodosMétodo 1 ou 2), ligeiramente ultrasonicate (100 W) as amostras em água desionizada durante 50 s e secos numa corrente de azoto gasoso.

4. Microscopia Eletrônica de Varredura de imagem

NOTA: Existem dois tipos de estudos envolvidos convencional de cima para baixo e de imagem SEM transversal.

  1. Para top-down imagens SEM, use um E-beam tensão de aceleração de 5 kV com uma corrente de ~ 300 mA para evitar danos ao filme fotorresistente.
    Atenção: A tensão mais baixa possível e configuração atual são necessárias para reduzir as reacções em cadeia de cisão no fotorresiste. Estas reacções de cisão de cadeia reduzir a temperatura de transição vítrea do polímero, o que por sua vez afecta a temperatura operacional para o passo de resistir refluxo descrito abaixo.
  2. Secção transversal de imagem:
    1. Sputter-coat 10 nm da película de ouro grossa sobre PMMA fotorresiste para evitar danos ion-beam. Use um feixe de iões Ga focado operado a 30 kV e 93pA para cortar através dos furos. Obter secção transversal imagens SEM pela inclinação da bolacha a partir da sua posição horizontal normal.

5. Refluxo de PMMA Photoresist torno PNB nos orifícios modelados

  1. Aquecer os substratos modelado sobre uma placa quente a T refluxo (100 ° C) durante 3 min, o que é abaixo da temperatura de transição de vidro pré-determinado, Tg (110 ° C), de 950.000 g / mol PMMA; a taxa de refluxo para o polímero foi 1,7 ± 0,1 nm / s.
    Cuidado: refluxo significativamente mais rápida ocorreu para as áreas modelado que anteriormente tinham sido expostas ao de feixe de electrões durante o exame com microscopia electrónica de varrimento (SEM), talvez devido à clivagem da cadeia principal polimérica, durante a exposição ao feixe de electrões, que conduz a uma redução de Tg. Esta observação é apoiada pelos estudos de Keymeulen e colegas de trabalho, que observou que a exposição à radiação de raios-X reduziu a Tg de PMMA 26.

6. seco e Wet-etch

  1. Dry-etch para a duração suficiente (55 s) com o oxigênio-plasma para expor PNB coberto com uma fina película de PMMA após refluxo. monitorizar cuidadosamente a taxa de decapagem de PMMA filme como uma função do tempo utilizando um elipsómetro ou monitor de espessura da película fina.
    NOTA: A duração de gravação muito curto pode não expor os PNB, enquanto a gravura por muito tempo seria remover completamente o filme PMMA. Para 950 kDa PMMA, a taxa de corrosão foi de 1,5 nm / s, necessitando de 55 s de tempo de ataque.
  2. PNB molhada por corrosão na parte inferior dos orifícios de contacto depois do refluxo, utilizando uma solução de iodo contendo 1,0 g de cristal de iodo (I 2), 4,0 g de iodeto de potássio (KI), e 40 mL de água desionizada, durante 10 min.
    NOTA: iodeto de potássio aumenta a solubilidade do iodo em solução e facilita gravura ouro. A reação de ouro com iodo (2AU + I 2 → 2 AUI) produz ouroiodeto, que é ligeiramente solúvel em solução aquosa à temperatura ambiente.

7. Cálculo da Particle Deslocamento, densidade, e Fill Fraction

  1. Localizando o centro do furo e do PNB deslocamento:
    1. Ao lado, desenhar linhas retas melhor ajuste horizontal e vertical através das linhas e colunas de furos, respectivamente, para centros de furos estabelecidos nas intersecções destas linhas (Figura 2A e 2B). Incluir pelo menos mais de 500 buracos nos cálculos.
    2. Determinar a posição manualmente, R, de cada nanopartículas em relação ao centro do nanohole (isto é, o deslocamento) onde foi depositada (Figura 2b).
  2. Determinar a contagem de partículas contra histogramas de deslocamento usando um programa de planilha padrão.
  3. O cálculo da densidade de partículas: ρ = N (número de partículas) / unidade de área (| iM 2):
      Em primeiro lugar, determinar a área anelar de um anel com uma largura fixa (≈R / 10, em que R é o raio do furo) e delimitada por dois raios (R1, R2), com um deslocamento de R (= (R 1 + R2) / 2); figure-protocol-1 .
  4. Soma o número de partículas, N, na área a partir do histograma construído no passo 7.2, acima.
  5. Repetir o procedimento como uma função de r para gerar cerca de 10 passos iguais que terminam no R = R, o raio do furo.
  • Montar a densidade de partículas contra os dados de deslocamento a uma curva de Gauss usando um procedimento de mínimos quadrados não linear (Figura 2a, inserir) 20. Extrai-se a desvio padrão de deslocamento (deposição σ) para a deposição e da incerteza da sua montagem.
  • Repita o procedimento acimaprocedimento para os padrões obtidos SEM após a refluxo fotorresistente usando uma imagem SEM mostrado na Figura 2c.
    NOTA: Após os buracos de refluxo desaparecer, desenhar linhas horizontais e verticais melhor ajuste em posições PNB para determinar os valores de melhor ajuste para os centros de furos. Calcular os deslocamentos de partículas como no passo 7.1 e extrai-se o combinado σ total seguindo o protocolo delineado nos passos 7,2-7,4.
    NOTA: Aqui, combinada ou total refere-se ao deslocamento total do PIB devido às etapas de deposição e refluxo.
  • Determinar a fracção de enchimento por meio da estimativa da relação entre o número de orifícios preenchidos com o número total de orifícios, a Figura 2b.

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    Resultados

    A Figura 2 mostra uma imagem SEM de PNB 20 nm depositados em furos de diâmetro de 80 nm modelado numa película de PMMA 60-100 nm de espessura impulsionado por afunilamento electrostática. Tal como observado por outros 22, o processo resultou em cerca de uma partícula por furo. A distribuição das partículas em torno do centro dos orifícios era Gaussiana (margem interna superior direito). A maior parte dos furos (93%) continha uma PNB, e 95% destas ...

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    Discussão

    Shot-ruído (SN) em litografia é uma simples consequência de flutuações estatísticas no número de fótons ou partículas (N) que chegam em um determinado nano-região; é inversamente proporcional à raiz quadrada de um número de fotões / partículas:

    figure-discussion-1

    em que A e R são a área e o tamanho da região exposta, respectivamente. Por exemplo, quando se utiliza um ArF 193 nm (6,4-eV) de laser de excímero...

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    Divulgações

    Os autores não têm nada a revelar.

    Agradecimentos

    Intel Corporation financiado este trabalho através de número de concessão 414305, e da Iniciativa Oregon Nanotecnologia e Microtecnologia (ONAMI) forneceu fundos correspondentes. Agradecemos o apoio e aconselhamento de Dr. James Blackwell em todas as fases deste trabalho. Agradecimentos especiais com Drew Beasau e Chelsea Bento de análise das estatísticas de posicionamento de partículas. Agradecemos ao professor Hall para uma leitura cuidadosa do manuscrito e Dr. Kurt Langworthy, da Universidade de Oregon, Eugene, OR, por sua ajuda com litografia de feixe de electrões.

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    Materiais

    Lista de materiais utilizados neste artigo
    NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
    AATMS (95%)Gelest Inc.SIA0595.0N-(2-aminoetil)-11-aminoundeciltrimetoxissilano
    Colóides de ouro (Ted Pella Inc.)Ted Pella15705-20Naopartículas de Ouro
    peróxido de hidrogênioFisher Scientific H325-100Grau analítico (Usado para limpar wafer)
    ácido clorídricoFisher Scientific S25358Hidróxido
    de amônioFisher Scientific A669S-500SDSGrau analítico (usado para limpar wafer)
    fluoreto de hidrogênioFisher ScientificAC277250250grau analítico (usado para gravar SiO2)
    Tolueno (anidro, 99,8%)Sigma Aldrich244511grau analítico (solvente usado na automontagem do
    álcool isopropílico AATMS (IPA)Sigma AldrichW292907grau analítico (usado para fazer desenvolvedor)
    Metil butil cetona (MIBK)Sigma Aldrich29261Grau analítico (usado para fazer desenvolvedor)
    1: 3 MIBK: Desenvolvedor IPASigma AldrichGrau analítico (desenvolvedor)
    950 k poli (metacilato de metila (PMMA, 4% em anisol)Sigma Aldrich182265Fotorresistente para litografia
    de feixe EÁgua Purificada: Unidade de Purificação de Água Barnstead Sybron Corporation, resistividade de 19.0 MΩ cmÁgua para limpeza de substratos
    Elipsômetro Gaertner GaertnerResist e medições de espessura SAM
    XPS, instrumento ThermoScientifc ESCALAB 250Thermo-ScientificComposição de superfície
    Um FEI Siron XL30Fei CorporationCaracterizar nanopadrões
    Zeiss sigma VP FEG SEMZeiss CorporationExposição e padronização de feixe E
    MDS 100  Câmeras CCDKodakImaging formas de gota para medições de ângulo de contato
    Tegal PlasmodTegalPlasma de oxigênio para gravar fotorresistente
    I2Sigma Aldrich451045Componentes para solução de gravação de ouro
    KISigma Aldrich746428Componentes para solução de gravação de ouro
    Elipsômetro (LSE Stokes modelo L116A)GaertnerL116AAATMS medições de espessura de filme monocamada auto-montadas
    de grau analítico

    Referências

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