Die Verwendung von Aufopferungs Nanopartikel zu entfernen, die Auswirkungen von Shot-Rauschen in Kontaktlöchern Vorgefertigte durch Elektronenstrahl-Lithografie

Summary

Einheitlicher Größe Nanopartikel können in Poly (methylmethacrylat) (PMMA) Photoresistfilme durch Elektronenstrahl (E-Strahl) Lithographie gemustert Schwankungen in Kontaktlochabmessungen entfernen. Das Verfahren beinhaltet die elektrostatische funnelling zum Zentrum und Ablagerung Nanopartikel in Kontaktlöchern, gefolgt von Photoresist-Reflow-und plasma- und Nassätzen Schritte.

Abstract

Nano-Muster hergestellt mit extrem ultravioletten (EUV) oder Elektronenstrahl (E-Strahl) Lithografie zeigen unerwartete Variationen in der Größe. Diese Variation wurde auf statistische Schwankungen in der Anzahl der Photonen / Elektronen bei einer bestimmten Nanobereich vom Schrotrauschen (SN) auftretenden ankommen zurückzuführen. Die SN variiert invers mit der Quadratwurzel aus einer Anzahl von Photonen / Elektronen. Bei einer festen Dosierung ist die SN größer in der EUV-und E-Beam-Lithografien als bei herkömmlichen (193 nm) optische Lithographie. Bottom-up und Top-down-Musterbildungsverfahren kombiniert werden, um die Effekte von Schrotrauschen in Nano-Lochmusterbildung zu minimieren. Insbesondere wird ein Amino-Silan-Tensid durch Selbstorganisation auf einem Siliziumwafer, die anschließend aufgeschleudert wird mit einem 100 nm-Film aus einem PMMA-basierten E-beam Photoresist. Exposition gegenüber dem E-Strahl und der nachfolgenden Entwicklung enthüllen die zugrunde liegende Tensidfilm an den Böden der Löcher. Eintauchen des Wafers in einer Suspension von negativ geladenen, Citrat-capped, 20 nm galte Nanopartikel (BSP) Einlagen ein Teilchen pro Loch. Der belichtete positiv geladenen oberflächenaktiven Folie in das Loch elektrostatisch Trichtern der negativ geladenen Nanoteilchen an der Mitte eines belichteten Lochs, die permanent die Positionsregistrierungs fixiert. Als nächstes wird durch Erhitzen in der Nähe der Glasübergangstemperatur des Photoresistpolymer, verfließt der Photoresistfilm und verschlingt die Nanopartikel. Dieser Vorgang löscht die von SN betroffen Löcher lässt aber die eingerastet abgelagert GNPs durch starke elektrostatische Bindung. Die Behandlung mit Sauerstoffplasma macht die GNPs durch eine dünne Schicht des Photolacks geätzt wird. Naß-Ätzen der freigelegten GNPs mit einer Lösung von I ₂ / KI ergibt in der Mitte der Vertiefungen durch E-Strahl – Lithographie gemustert angeordnet einheitliche Löcher. Die Experimente zeigen, dargestellt, dass der Ansatz die Variation in der Größe der Löcher reduziert, die durch SN von 35% auf unter 10%. Das Verfahren verlängert die Strukturierungsgrenzen des Transistors Kontaktlöcher auf unter 20 nm.

Introduction

Das exponentielle Wachstum in Rechenleistung, als ¹ von Moores Gesetz ^{quantifiziert, 2} (1), ist ein Ergebnis der fortschreitenden Fortschritte in der optischen Lithographie. In diesem Top-down – Strukturierungstechnik, die erreichbare Auflösung R wird von dem bekannten Raleigh Satz ³ gegeben:

Hier λ und NA sind die Lichtwellenlänge und der numerischen Apertur, respectively. Man beachte , daß NA = sin & theta; · η, wobei η der Brechungsindex des Mediums zwischen der Linse und dem Wafer; θ = tan ^-1 (d / 2 l) für den Durchmesser, d, der Linse und der Abstand L zwischen der Mitte der Linse und dem Wafer. In den letzten fünfzig Jahren hat die lithographische Auflösung durch die Verwendung von verbesserten (a) Lichtquelles, einschließlich Excimer-Lasern, mit zunehmend kleineren UV-Wellenlängen; (b) geschickte optische Designs unter Verwendung von Phasenverschiebungsmasken ^4; und (c) höhere NA. Für die Belichtung in Luft (η = 1), ist NA immer kleiner als eins, aber durch Einführen einer Flüssigkeit mit η> 1, beispielsweise Wasser ^5, zwischen der Linse und dem Wafer kann NA über 1 erhöht werden, wodurch die Auflösung des Eintauchens Lithographie zu verbessern. Derzeit tragfähige Wege zu einem 20-nm – Knoten und darüber hinaus sind extreme UV – Quellen (λ = 13 nm) oder Strukturierungsverfahren unter Verwendung komplexer Doppel- und Vierer Verarbeitung eines mehrschichtigen Photoresist ^{6, 7.}

In Nanometer-Längenskalen, statistischen Schwankungen, hervorgerufen durch Schrotrauschen (SN), in der Anzahl von Photonen innerhalb einer Nanobereich Ursache Variation in den Dimensionen des lithogra ankommen phische Muster. Diese Effekte sind noch ausgeprägter bei Exposition gegenüber hochenergetischer EUV Licht und E-Strahlen, Systemen , die ⁸ Grßenordnungen weniger Photonen / Teilchen im Vergleich zu normalen optischen Lithographie benötigen. Supersensitive chemisch verstärkte (mit einem Quantenwirkungsgrad> 1) Photoresists einzuführen auch eine SN chemischen durch eine Variation in der Anzahl der photoreaktiven Moleküle in exponierten nanoregions verursacht ^{9, 10.} Niedrigere Empfindlichkeit Photolacke, die längere Belichtungszeiten benötigen unterdrücken diese Effekte, sondern sie reduzieren auch den Durchsatz.

Auf molekularer Ebene zu der Beitrag Line-Kantenrauigkeit von der molekularen Größenverteilung , die zu den Photoresist – Polymere , die durch Verwendung von Molekular Resists ¹¹ reduziert werden kann. Ein Ansatz, der zu diesem Top-down – Verarbeitung von Nanostrukturierung ist die Verwendung von Bottom-up – Verfahren komplementäres ^12,s = "xref"> 13 , die ¹⁴ speziell auf die Selbstorganisation (DSA) von Diblockpolymeren verlassen. Die Fähigkeit dieser Verfahren Nukleation zu lenken und zu ungleichmäßigen Abstand zwischen gewünschten Mustern, wie Bohrungen oder Leitungen zu schaffen, bleibt eine Herausforderung. Die Größenverteilung der molekularen Komponenten ^{15, 16} begrenzt auch das Ausmaß und die Ausbeute der Herstellung ^{17, 18.} Ähnliche Probleme begrenzen Mikrokontaktdruck von Nanopartikeln in Weich – Lithographie ^19.

Dieser Beitrag stellt Untersuchungen eines neuen Hybrid – Ansatz (Abbildung 1), die die klassischen Top-Down – Projektionslithografie mit elektrostatisch Selbstorganisation kombiniert die Wirkung von SN / Line-Kantenrauigkeit (LER) ²⁰ zu reduzieren. Positiv Amingruppen auf selbstorganisierte Monoschichten (SAMs) von N berechnet – (2-aminoethyl)-11-Amino-Undecyl-methoxy-Silan (AATMS), um die PMMA-Film zugrunde liegen, sind nach der Entwicklung ausgesetzt. Die negativ geladenen Photoresist – Film aus PMMA elektrostatisch Trichter negativ Goldnanopartikel (GNPs), mit einer Kappe bedeckt mit Citrat geladen, ^21-24 in SN betroffenen Löcher ^25. Re-flow des PMMA Photoresist verschlingt zuvor abgeschiedenen Nanopartikel in dem Film.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Strategie , um die Auswirkungen von Schrotrauschen und Linien Kantenrauigkeit für die Strukturierung von Kontaktlöchern mit NPs genaue Größe zu entfernen. Hier ist die kritische Dimension (CD) ist der gewünschte Durchmesser der Löcher. Der Ansatz (Schritt 1) ​​beginnt mit einer selbstorganisierten Monoschicht (SAM) von Silan-Molekül Ablagern positiv geladene Aminogruppen auf dem Oxid Surflagerace eines Silizium-Wafers. Als nächstes wird die Löcher Muster Elektronenstrahllithographie verwendet (Schritte 2 und 3) in PMMA Photoresistfilm, der blauen Schicht, die Schrotrauschen erzeugt, wie in der eingesetzten SEM-Bild dargestellt. Lithographie belichtet Amingruppen an der Unterseite der Löcher. Schritt 4 beinhaltet die wässrige Phasenabscheidung von kontrollierter Größe, Citrat-capped (negativ geladene) Goldnanopartikel (GNPs) in lithographisch gemusterten Löcher unter Verwendung elektrostatischer funnelling (EF). In Schritt 5 Erwärmen des Wafers auf 100 ° C, unterhalb der Glasübergangstemperatur des PMMA, 110 ° C, bewirkt, daß das Aufschmelzen des Photoresist rund vorher entnommenes Nanopartikeln. Ätzen überlagert PMMA mit Sauerstoffplasma (Schritt 6) macht die GNPs und anschließende Nassätzen (Iod) der freigelegten Partikel (Schritt 7) erzeugt Löcher zu der Größe der GNPs entspricht. Gekoppelt mit reaktiven Ionen / Nassätzen, ist es möglich , die Lochmuster in dem Photoresist zu SiO ₂ (Schritt 8) ³¹ zu übertragen. Regedruckt mit Genehmigung aus Lit. ^20. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den entgegengesetzt geladenen GNPs und Amingruppen auf dem Substrat verhindert, dass die Verschiebung der GNPs von der Bindungsstelle. Der Reflow-Schritt hält die relative Anordnung der GNPs sondern löscht die Löcher und die Auswirkungen von SN / LER. Plasma- / Nassätzen Schritte regenerieren Löcher, die die Größe des BSP haben. Reaktives Ionenätzen überträgt ihr Muster zu SiO ₂ Hartmaskenschichten. Das Verfahren beruht auf Verwendung von gleichmäßiger Größe Nanopartikel als eine gemusterte nanohole (NH), ausgedrückt als die Standardabweichung, σ, derart , daß σ _GNP <σ _NH. Dieser Bericht konzentriert sich auf die Schritte (4 und 5 in Abbildung 1 beschrieben) , um die Ablagerung von Nanopartikeln aus Dispersion beteiligt und dieAufschmelzen des Photoresist um sie herum die Vorteile und Grenzen des Verfahrens zu beurteilen. Beide Schritte sind im Prinzip skalierbar auf größeren Substraten, erfordern keine umfangreiche Änderung des Stromflusses von modernen integrierten Schaltungen auf Chips zu erzeugen.

Protocol

1. derivatisieren und Charakterisieren der Oberfläche der Silizium-Wafer Reinigen Sie die Oberfläche von Wafern mit Radio Corporation of America (RCA) Reinigungslösungen SC1 und SC2. Bereiten Sie SC1 und SC2 durch volumetrisch folgende Mischen von Chemikalien: SC1: H 2 O 2: NH 4 OH: H 2 O = 1: 1: 5 v / v und SC2: H 2 O 2: HCl: H 2 O = 1: …

Representative Results

Abbildung 2 zeigt eine REM – Aufnahme von 20-nm GNPs abgeschieden in 80-nm Durchmesser Löchern gemustert in einer 60-100 nm dicken PMMA – Films durch elektrostatische funnelling angetrieben. Wie in 22 von anderen beobachtet, führte der Prozess etwa ein Teilchen pro Loch in. Die Verteilung der Partikel um die Mitte der Löcher war Gaussian (oben rechts im Bild). Die meisten Löcher (93%) enthielt ein BSP, und 95% dieser Teilchen innerhalb von 20 …

Discussion

Schrotrauschen (SN) in der Lithographie ist eine einfache Folge von statistischen Schwankungen in der Anzahl der Photonen oder Partikel (N) in einem gegebenen Nanobereich ankommen; Sie ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus einer Anzahl von Photonen / Teilchen:

wobei A und r sind der Bereich und die Größe des belichteten Bereiches, respectively. Beispielsweise bei Verwendu…

Materials

AATMS (95%)	Gelest Inc.	SIA0595.0	N-(2-aminoethyl)-11-aminoundecyltrimethoxysilane
Gold colloids (Ted Pella Inc.)	Ted Pella	15705-20	Gold Naoparticles
hydrogen peroxide	Fisher Scientific	H325-100	Analytical grade (Used to clean wafer)
hydrochloric acid	Fisher Scientific	S25358	Analytical grade
Ammonium hydroxide	Fisher Scientific	A669S-500SDS	Analytical grade (Used to clean wafer)
hydrogen fluoride	Fisher Scientific	AC277250250	Analytical grade(used to etch SiO2)
Toluene (anhydrous, 99.8 %)	Sigma Aldrich	244511	Analytical grade (solvent used in Self Assembly of AATMS
Isopropyl alcohol (IPA)	Sigma Aldrich	W292907	Analytical grade (Used to make developer)
Methyl butyl ketone (MIBK)	Sigma Aldrich	29261	Analytical grade(used to make developer)
1:3 MIBK:IPA developer	Sigma Aldrich		Analytical grade (Developer)
950 k poly(methyl methacylate (PMMA, 4 % in Anisole)	Sigma Aldrich	182265	Photoresist for E-beam lithography
Purified Water : Barnstead Sybron Corporation water purification Unit, resistivity of 19.0 MΩcm			Water for substrate cleaning
Gaertner ellipsometer	Gaertner		Resist and SAM thickness measurements
XPS, ThermoScientifc ESCALAB 250 instrument	Thermo-Scientific		Surface composition
An FEI Siron XL30	Fei Corporation		Characterize nanopatterns
Zeiss sigma VP FEG SEM	Zeiss Corporation		E-beam exposure and patterning
MDS 100  CCD camera	Kodak		Imaging drop shapes for contact angle measurements
Tegal Plasmod	Tegal		Oxygen plasma to etch photoresist
I2	Sigma Aldrich	451045	Components for gold etch solution
KI	Sigma Aldrich	746428	Components for gold etch solution
Ellipsometer ( LSE Stokes model L116A);	Gaertner	L116A	AATMS self assembled monolayer film thickness measurements