CC BY
0
АНАЛИЗ ПРИЧИН ПОЯВЛЕНИЯ И ВЛИЯНИЯ LER-ЭФФЕКТА НА СВОЙСТВА
ФОТОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
М.С. Кульпинов, ассистент В.В. Лосев, директор А.Г. Балашов, проректор А.Л. Переверзев, проректор А.Ю. Красюков, доцент
Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
(Россия, г. Москва)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-11-2-233-236
Производство интегральной микросхемы было выполнено за счет средств Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Подготовка кадров и научного фундамента для электронной промышленности» по гос. заданию на выполнение научно-исследовательской работы «Разработка методики прототипирования электронной компонентной базы на отечественных микроэлектронных производствах на основе сервиса MPW(FSMR-2023-0008)
Аннотация. В рамках этой работы был проведен анализ основных факторов, приводящих к возникновению LER-эффекта, а также изучены особенности передачи дефектов фоторези-стивной маски на формируемые структуры и методы оценки шероховатостей краев маски и морфологии поверхностей наноструктур. Рассмотрены особенности влияния литографических процессов и технологий переноса изображений на топологические характеристики фотонных интегральных схем (ФИС), что влияет на качество получаемых структур. Дополнительно проанализированы причины изменений морфологии и предложены ключевые подходы к контролю и снижению LER-эффекта: улучшение процесса фотолитографии, выбор специальных материалов и методик их нанесения для создания антиотражающих покрытий и жестких масок, а также внедрение дополнительных технологий, таких как плазменная обработка, и других методов модификации поверхности формируемых слоев.
Ключевые слова: неровности края линии фоторезиста, LER-эффект, фотонные интегральные схемы.
Проблема неровности края линии (LER-эффект) элементов фоторезистивной маски за последние годы приобрела особую значимость в контексте дальнейшего прогресса микроэлектроники, наноэлектроники и микро-фотоники. По мере того, как физические размеры интегральных схем, такие как длина и ширина каналов, становятся все меньше и приближаются к единицам нанометров, шероховатость краев линий фоторезиста превращается в одну из главных трудностей, требующих внимания. Особо остро эта проблема стоит в разработке фотонных интегральных схем (ФИС), где неровности боковых стенок волноводов, вызванные LER-эффектом, могут приводить к фазовым сбоям, что, в свою очередь, вызывает увеличение перекрестных помех, рост потерь и ухудшение спектральных
характеристик. Это снижает производительность и надежность устройств, предъявляя более строгие требования к технологическим процессам производства высокоточных оптических компонентов. Одной из важнейших задач остается повышение точности элементов топологических рисунков фоторезистов и их перенос на функциональные слои интегральных схем.
LER-эффект определяется как отклонение края линии фоторезистивной маски от идеально ровной линии. Для количественной оценки этого эффекта используются такие инструменты, как сканирующий электронный микроскоп (SEM) или атомно-силовой микроскоп (АСМ) [1]. Эти методы позволяют получить изображения краев структуры с высоким разрешением, что дает возможность количе-
ственно оценить шероховатость. На рисунке 1 ровности края линии с помощью SEM. показан типичный результат измерения не-
Рис. 1. БЕМ-изображение фоторезистивной маски со средней шириной линии 111 нм и неровностью края линии до 37 нм [1]
Известно, что на LER-эффект влияют как структура образца, используемые материалы, так и параметры операции фотолитографии [2]. Поскольку операция фотолитографии включает в себя несколько стадий процесса формирования рисунка в слое фоторезиста, то каждая из них определяет параметры топологического рисунка фоторезиста и характеристики поверхности создаваемых структур. При этом влияние состава фоторезиста на LER-эффект бывает нелегко количественно определить из-за сложной структуры материала.
Например, для 90 нм технологического узла ИС неровности края линии должны составлять менее 4,5 нм. Теоретически при уменьшении литографического шаблона, то неровности края линии должны уменьшаться пропорционально, но LER-эффект не снижается соответствующим образом, что является серьезной проблемой контроля в производстве ИС. Общая тенденция заключается в том, что чем выше чувствительность фоторезиста, тем более неровным получается край линии [3-5].
В целом, неровности края линии могут быть вызваны факторами в литографическом маршруте формирования фоторезистивной маске такими как:
- глубина фокуса (качество воздушного изображения постоянно снижается как при положительной, так и при отрицательной расфокусировке. Измерения как CD-SEM, так и CD-AFM показывают, что значения LER (line edge roughness) и LWR (line width
roughness) увеличиваются по мере того, как изображение выходит из фокуса) [6];
- доза экспозиции (связана с числом фотонов, падающих на резистивную пленку на единицу поверхности, и включает в себя понятие стохастических изменений или дробового шума);
- пост экспозиционный отжиг (является основным фактором процесса изменения длины диффузии молекул каталитической кислоты, входящей в состав фоторезиста, что приводит к минимизации (устранению) эффекта стоячей волны);
- тип фоторезиста, что может привести как к изменению четкости краев между фоторезистом и подложкой, так и к образованию шероховатостей на поверхности (чем выше чувствительность фоторезиста, тем более неровным получается край линии);
- процессы плазменного травления, которые могут вносить неровности из-за неравномерности скорости травления.
Особенно пагубно LER-эффект сказывается на производительности устройств и характеристиках фотонных интегральных схем [7-8], а именно:
- потерях в волноводе, LER-эффект увеличивает потери при распространении в волноводах, особенно в волноводах меньшего размера, где эффекты рассеяния и искажения более существенны;
- дисперсии оптического сигнала, неровности линии края могут вносить поляризационную зависимость в устройства ФИС, что важ-
но для приложений, чувствительных к поляризации;
- снижении эффективности связи между волноводами, соединителями и другими оптическими компонентами что сказывается на функциональности и производительности устройств;
- уменьшении производительности устройства, что может ухудшить производительность устройств ФИС, таких как модуляторы, фильтры и детекторы, за счет эффектов рассеяния и искажения.
Более эффективным в настоящих условиях, с точки зрения снижения величины LER-эффекта и его влияния на основные характеристики элементов фотонных интегральных схем, является исследование особенностей процессов формирования маски и переноса изображения в функциональные слои фотонных интегральных схем, а также разработка специальных технологий снижения этого эффекта, такие как совершенствование критических стадий процесса фотолитографии, использование специализированных материалов и методов их нанесения при формировании слоев антиотражающих покрытий и жесткой маски, использование дополнительных плазменных обработок поверхности формируемых слоев [9-10].
Основные используемые приемы по уменьшению LER-эффекта при создании элементов микросхем включают:
- оптимизацию параметров литографии, таких как доза облучения, фокус и толщина фоторезиста, что помогает уменьшить рассеяние и улучшить четкость краев;
- использование современных фоторези-стивных материалов с более высоким разре-
шением и меньшей внутренней неоднородностью фоторезиста;
- применение методов направленной самосборки, которые позволяют формировать элементы с более гладкими краями;
- оптимизацию параметров плазменного травления и использование методов селективного травления, позволяющие свести к минимуму неровности, возникающие в процессе травления;
- использование методов постобработки, такие как плазменная обработка или сглаживание ионным пучком.
В последние годы было проведено множество исследований и разработано несколько методов для снижения LER-эффекта. Некоторые из них включают оптимизацию процесса экспонирования, использование новых материалов и химических реагентов, а также различные методы воздействия на фоторезист. Однако, проблема LER-эффекта остается актуальной и требует дальнейших исследований. В настоящее время современные направления исследований включают изучение статистических параметров LER-эффекта, а также применение искусственного интеллекта для оптимизации процесса фотолитографии.
Таким образом, понимание и управление LER-эффектом играют важную роль в развитии нанотехнологий и создании более сложных и эффективных микроэлектронных устройств. Дальнейшие исследования позволят более фундаментально понимать причины возникновения LER эффекта, контролировать и минимизировать его проявления, выявляя новые возможности для развития современной технологии формирования фотолитографических структур.
Библиографический список
1. Nanofabrication: Principles, Capabilities and Limits // Zheng Cui, Springer, 2017. - 343 p. -ISBN 0387755772.
2. Minimization of line edge roughness and critical dimension error in electron-beam lithography, Xinyu Zhao, Soo-Young Lee, Jin Choi, Sang-Hee Lee, In-Kyun Shin, and Chan-Uk Jeon, 2014. - Р. 14.
3. Microchip fabrication: A practical guide to semiconductor processing // Zant P.V., 6th ed. - 2014.
- Р. 45.
4. Waldrop, M.M. The chips are down for Moore's law. - 2016. - 147 p.
5. Church J. et al. Fundamental characterization of stochastic variation for improved single-expose extreme ultraviolet patterning at aggressive pitch // Micro/Nanolithography, MEMS, MOEMS. - 2020.
- Vol. 19, № 3
6. Yoon M.Y., Yeom H.J., Kim J.H., et al. Plasma etching of the trench pattern with high aspect ratio mask under ion tilting // Applied Surface Science, 2022.
- TexnuHecKue nayHU -
7. Lee G.H., Hwang S., Yu J., et al. Architecture and process integration overview of NAND flash technologies // Applied Sciences, 2021.
8. Chung Y. A., Lung C.Y., Chiu Y.C., et al. Study of Plasma Arcing Mechanism in High Aspect Ratio Slit Trench Etching // 30th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC). IEEE, 2019.
9. Mack C.A. Comparing edge detection algorithms: their impact on unbiased roughness measurement precision and accuracy // Proc. SPIE 11325, Metrology, Inspection, and Process Control for Mi-crolithography XXXIV, 113250P, March 2020.
10. Kang I., Kim T., Hur S., Ban C., Park J., Oh H. Line width roughness variation and printing failures caused by stochastic effect at extremeultraviolet exposure // Proc. SPIE 11609, Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography XII, 116091K, 22 February 2021.
ANALYSIS OF THE CAUSES OF THE APPEARANCE AND INFLUENCE
OF THE LER EFFECT ON THE PROPERTIES OF PHOTONIC INTEGRATED CIRCUITS
M.S. Kulpinov, Assistant
V.V. Losev, Director
A.G. Balashov, Vice-Rector
A.L. Pereverzev, Vice-rector
A.Y. Krasyukov, Associate Professor
National Research University "Moscow Institute of Electronic Technology" (Russia, Moscow)
Abstract. As part of this work, the analysis of the main factors leading to the appearance of the LER effect was carried out, as well as the features of the transmission of defects of the photoresistive mask to the structures being formed and methods for assessing the roughness of the edges of the mask and the morphology of the surfaces of nanostructures were studied. The features of the influence of lithographic processes and image transfer technologies on the topological characteristics of photonic integrated circuits (FIS), which affects the quality of the resulting structures, are considered. Additionally, the causes of morphological changes are analyzed and key approaches to controlling and reducing the LER effect are proposed: improving the photolithography process, choosing special materials and methods of their application to create anti-reflective coatings and hard masks, as well as the introduction of additional technologies such as plasma treatment and other methods of modifying the surface of the formed layers.
Keywords: irregularities of the edge of the photoresist line, LER effect, photonic integrated circuits.
