Ensartet størrelse nanopartikler kan fjerne udsving i anlægshullet dimensioner mønstrede i poly (methylmethacrylat) (PMMA) fotoresist film ved elektronstråle (e-stråle) litografi. Processen involverer elektrostatiske kanalisere til centrum og depositum nanopartikler i kontakt huller, efterfulgt af fotoresist reflow og Plasma- og våd-ætsning trin.
Nano-mønstre fremstillet med ekstrem ultraviolet (EUV) eller elektron-stråle (E-beam) litografi udviser uventede variationer i størrelse. Denne variation er blevet tilskrevet statistiske fluktuationer i antallet af fotoner / elektroner, der ankommer ved en given nano-region som følge af skud-støj (SN). SN varierer omvendt med kvadratroden af et antal fotoner / elektroner. For en fast dosis, SN er større i EUV og E-beam litografier end for traditionelle (193 nm) optisk litografi. Bottom-up og top-down mønsterruller tilgange kombineres for at minimere virkningerne af skudt støj i nano-hullers mønster. Specifikt en amino-silan overfladeaktive selv-samler på en siliciumskive, som efterfølgende spin-belagt med en 100 nm film af en PMMA-baserede E-beam fotoresist. Udsættelse for E-beam og den efterfølgende udvikling afdække det underliggende overfladeaktive film ved bunden af hullerne. Dyppe wafer i en suspension af negativt ladet, citrat-capped, 20 nm ggamle nanopartikler (BNP) indskud én partikel per hul. Den eksponerede positivt ladede overfladeaktive film i hullet elektrostatisk tragte den negativt ladede nanopartikel til centrum af en blotlagt hul, som permanent fikserer positionelle register. Dernæst ved opvarmning nær glasovergangstemperaturen af fotoresist polymer, den fotoresistfilm reflows og opsluger nanopartiklerne. Denne proces sletter ramt af SN huller, men efterlader de deponerede BNI låst på plads af en stærk elektrostatisk binding. Behandling med oxygenplasma udsætter BNI ved ætsning et tyndt lag af fotoresist. Wet-ætsning de eksponerede BNI med en opløsning af I2 / KI giver ensartede huller placeret i midten af fordybninger mønstrede af E-litografi. Eksperimenterne præsenteret viser, at tilgang reducerer variationen i størrelsen af de huller forårsaget af SN fra 35% til under 10%. Fremgangsmåden udvider mønsterdannende grænserne for transistor kontakthuller til under 20 nm.
Den eksponentielle vækst i computerkraft, som kvantificeret ved Moores lov 1, 2 (1), er et resultat af progressive fremskridt i optisk litografi. I denne top-down-mønsterdannelse teknik, den opnåelige opløsning, R, er givet ved den velkendte Raleigh sætning 3:
Her, λ og NA er lysbølgelængden og numerisk åbning hhv. Bemærk, at NA = η · sinθ, hvor η er brydningsindekset for mediet mellem linsen og skiven; θ = tan -1 (d / 2l) for diameteren, d, af linsen, og afstanden, L, mellem centrum af linsen og skiven. I de sidste halvtreds år har litografiske opløsning forbedres gennem anvendelsen af (a) lyskildes, herunder excimerlasere, med gradvis mindre UV-bølgelængder; (b) kloge optiske designs beskæftiger faseforskydningstrin masker 4; og (c) højere NA. For eksponering i luft (η = 1), NA er altid mindre end enhed, men ved at indføre en væske med η> 1, såsom vand 5, mellem linsen og wafer, kan NA være hævet over en, og derved forbedre løsningen af fordybelse litografi. I øjeblikket levedygtige veje til en 20-nm node og videre omfatter ekstreme UV-kilder (λ = 13 nm) eller mønsterruller teknikker, der anvender komplekse dobbelt og firedobbelt behandling af et flerlaget fotoresist 6, 7.
På nanometer-længde skalaer, statistiske udsving, forårsaget af skud-støj (SN), i antallet af fotoner, der ankommer i en nano-region årsag variation i dimensioner lithogra phic mønstre. Disse virkninger er mere udtalt med udsættelse for højenergi EUV lys og E-bjælker, systemer, der har brug størrelsesordener færre fotoner / partikler i forhold til normal optisk litografi 8. Supersensitive kemisk forstærket (med en kvante effektivitet> 1) fotoresister også indføre en kemisk SN forårsaget af en variation i antallet af fotoreaktive molekyler i udsatte nanoregions 9, 10. Lavere følsomhed fotoresister der har brug for længere eksponeringer undertrykker disse effekter, men de reducerer også gennemløb.
På molekylært plan, at bidraget line-kant ruhed fra det molekylære størrelsesfordeling iboende fotoresisten polymerer kan reduceres ved at anvende molekylære resister 11. En tilgang, der supplerer denne top-down behandling af nano-mønster er brugen af bottom-up metoder 12,s = "xref"> 13, der er afhængige specifikt på den rettede selv-samling (DSA) af diblok polymerer 14. Evnen af disse processer til direkte nukleering og skabe uensartet afstand mellem ønskede mønstre, såsom huller eller linjer, stadig en udfordring. Størrelsesfordelingen af molekylære komponenter 15, 16 begrænser også omfanget og udbyttet af fabrikation 17, 18. Lignende problemer begrænser microcontact trykning af nanopartikler i blød litografi 19.
Denne artikel præsenterer studier af en ny hybrid tilgang (figur 1), der kombinerer det klassiske top-down projektion litografi med elektrostatisk rettet selv-samling for at reducere effekten af SN / line-kant ruhed (LER) 20. Positivt ladede amingrupper på selvsamlede monolag (SAM'er) N – (2-aminoethyl)-11-Amino-undecyl-methoxy-silan (AATMS) ligger til grund for PMMA film udsættes efter udvikling. Den negativt ladede fotoresist film af PMMA elektrostatisk tragte negativt ladet guld nanopartikler (BNI), udjævnet med citrat, 21 – 24 i SN-ramte huller 25. Re-strømmen af PMMA fotoresist opsluger forud anbragte nanopartikler i filmen.
Figur 1: Skematisk fremstilling af strategien for at fjerne virkningerne af skud-støj og line-kant ruhed for mønstret af kontaktpunkter huller med nationale parlamenter i præcis størrelse. Her er den kritiske dimension (CD) er den ønskede diameter af hullerne. Den fremgangsmåde (trin 1) begynder med afsætning af et selv-samlet monolag (SAM) af silan molekyle bærer positivt ladede amingrupper på den oxid surfes af en silicium wafer. Dernæst E-beam litografi anvendt til mønster hullerne (trin 2 og 3) i PMMA fotoresist film, den blå lag, som genererer shot-støj, som illustreret i det indsatte SEM billede. Litografi udsætter amingrupper i bunden af hullerne. Trin 4 indebærer den vandige fase aflejring af kontrolleret størrelse, citrat-udjævnede (negativt ladede) guld nanopartikler (BNI) i litografisk mønstrede huller med elektrostatisk kanalisere (EF). I trin 5, opvarmning af vaflen til 100 ° C, hvilket er under glasovergangstemperaturen af PMMA, 110 ° C, bevirker reflow af fotoresist omkring prædeponeret nanopartikler. Ætsning overlejret PMMA med oxygenplasma (trin 6) udsætter de BNI, og efterfølgende våd-ætsning (iod) af eksponerede partikler (trin 7) skaber huller svarende til størrelsen af BNI. Når kombineret med reaktiv-ion / våd-ætsning, er det muligt at overføre mønstret hul i fotoresist til SiO2 (trin 8) 31. Retrykt med tilladelse fra henvisning 20. Klik her for at se en større version af dette tal.
Den elektrostatiske interaktion mellem de modsat ladede BNI og amingrupper på substratet forhindrer forskydning af BNI fra bindingsstedet. Reflow trin opretholder den relative placering af BNI men sletter hullerne og virkningerne af SN / LER. Plasma / våde ætsning skridt regenerere huller, der har størrelsen af BNP. Reaktiv-ion ætsning overfører deres mønster til SiO2 hårdt maskelag. Metoden bygger på at bruge mere ensartet størrelse nanopartikler end en mønstret nanohole (NH), udtrykt som standardafvigelsen, σ, således at σ BNP <σ NH. Denne rapport fokuserer på trin (4 og 5, der er beskrevet i figur 1), som indebærer aflejring af nanopartikler fra spredning ogreflow af fotoresist omkring dem til at vurdere fordele og metodens begrænsninger. Begge trin er i princippet, skalerbar til større substrater, som ikke kræver omfattende ændring af den nuværende strøm af producere moderne integrerede kredsløb på chips.
Shot-støj (SN) i litografi er en simpel konsekvens af statistiske udsving i antallet af fotoner eller partikler (N), som ankommer i en given nano-region; det er omvendt proportional med kvadratroden af et antal fotoner / partikler:
hvor A og r er området og størrelsen af det belyste område, henholdsvis. For eksempel, når der anvendes en ArF 193-nm (6,4-eV) excimerlaser til m?…
The authors have nothing to disclose.
Intel Corporation finansierede dette arbejde gennem tilskud nummer 414.305, og Oregon Nanoteknologi og Mikroteknologi Initiative (ONAMI) forudsat tilsvarende midler. Vi takker for støtte og rådgivning af Dr. James Blackwell i alle faser af dette arbejde. En særlig tak til Drew Beasau og Chelsea Benedict til analyse positionering partikel statistik. Vi takker professor Hall for en nærlæsning af manuskriptet og Dr. Kurt Langworthy, ved University of Oregon, Eugene, OR, for hans hjælp med E-litografi.
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 |