均一なサイズのナノ粒子は、電子ビーム（Eビーム）リソグラフィによりポリパターニングコンタクトホール寸法の変動（メチルメタクリレート）（PMMA）フォトレジスト膜を除去することができます。プロセスは、フォトレジストのリフロー及びプラズマ・湿式エッチング工程に続いて、コンタクトホール内にナノ粒子を中心と堆積する静漏斗を含みます。
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この記事について
サマリー
要約
極端紫外線（EUV）または電子ビーム（Eビーム）リソグラフィーを呈するサイズの予期しない変形例で製造ナノパターン。この変化は、ショットノイズ（SN）から生じる所与のナノ領域に到達した光子/電子の数の統計的変動に起因しています。 SNは、光子/電子の数の平方根に反比例して変化します。固定用量の場合、SNは、伝統的な（193 nm）の光リソグラフィのためのよりEUVや電子ビームリソグラフィーの方が大きいです。ボトムアップおよびトップダウンパターニングアプローチは、ナノホールパターン形成におけるショットノイズの影響を最小化するために組み合わされます。具体的には、その後にPMMAベースの電子ビームレジストの100nmの膜をスピンコートされたシリコンウェハ上にアミノシラン界面活性剤自己集合。電子ビームとその後の発展への曝露は、穴の底部に下地の界面活性剤のフィルムを発見します。負に帯電し、クエン酸をかぶった、20 nmのグラムの懸濁液中にウェハを浸漬古いナノ粒子（GNP）預金穴あたり1粒。穴にさらさ正に帯電した界面活性剤フィルムは、静電的に恒久的な位置レジストリを修正さらさ穴の中心までの負に帯電したナノ粒子を集中します。次に、フォトレジストポリマーのガラス転移温度近くに加熱することにより、フォトレジスト膜をリフローし、ナノ粒子を飲み込みます。このプロセスは、SNによって影響を受ける穴を消去しますが、結合、強い静電によって所定の位置にロックされて堆積したGNPを残します。酸素プラズマを用いた処理は、フォトレジストの薄層をエッチングしたGNPを露出させます。 I 2 / KI溶液で露光されたGNPをウェットエッチング電子ビームリソグラフィによってパターニングくぼみの中心に位置し、均一な孔を生じます。提示された実験アプローチは、35％から10％未満までSNによって生じる孔のサイズのばらつきを低減することを示しています。この方法は、20 nm以下の、トランジスタのコンタクトホールのパターン形成限界を拡張します。
概要
計算能力の指数関数的な成長は、ムーアの法則1、2（1）によって定量化として、光リソグラフィにおける進行進歩の結果です。このトップダウンパターニング技術では、達成可能な解像度は、Rは 、よく知られているローリー定理3によって与えられます。
ここで、λ及びNAは、それぞれ、光波長及び開口数です。 ηは、レンズとウエハとの間の媒質の屈折率NAこと=η・sinθとし 、注意してください。レンズとウェハの中心との間のθ=日焼け-1（D / 2リットル ）の直径のために、D、レンズの、距離、L、。最後の50年間で、リソグラフィの解像度は、（a）は、光源の使用により改善されました徐々に小さくUV波長を有するエキシマレーザ、などの、。 （b）は、位相シフトマスク4を用いた巧妙な光学設計。そして（c）高NA。空気中の露光用（η= 1）、NAは常に団結未満であるが、液体を導入することにより、 η> 1と、水5等は、レンズとウェハとの間に、NAにより液浸リソグラフィの解像度を向上させる、1より上に上昇することができます。現在、実行可能なパス20-nmノードへの以降は、多層フォトレジスト6、7の複雑な二重と四重処理を使用して、極端なUV光源（λ= 13 nm）のまたはパターニング技術が含まれます。
lithograの寸法のナノ領域原因変動内に到着する光子の数のショットノイズ（SN）によって引き起こされるナノメートル長さスケール、統計的な変動、で PHICパターン。これらの効果は、通常の光リソグラフィ8に比べて大きさが少ないフォトン/粒子の注文を必要とするシステム、高エネルギーのEUV光とE-ビームへの曝露でより顕著です。高感度化学増幅（量子効率で> 1）フォトレジストはまた、露出したナノ領域9、10で光反応性分子の数の変動によって引き起こされる化学SNをご紹介します。長い露出を必要とするより低い感度のフォトレジストは、これらの影響を抑制し、彼らはまた、スループットが低下します。
分子スケールで、フォトレジストのポリマーに固有の分子サイズ分布からの寄与ラインエッジラフネスする分子レジスト11を使用することによって低減することができます。ナノパターニングこのトップダウン処理に相補的なアプローチは、ボトムアップ方法12を使用することですジブロックポリマー14の有向自己集合（DSA）に特異的に依存しているS = "外部参照"> 13。核生成を指示すると、そのような穴や線などの所望のパターンとの間の不均一な間隔を作成するために、これらのプロセスの能力が、困難なままです。分子成分15,16のサイズ分布も規模と製造17、18の収率を制限します。同様の問題は、ソフトリソグラフィー19中のナノ粒子のマイクロコンタクト印刷を制限します。
本論文では、SN /ラインエッジラフネス（LER）20の影響を低減するために静電的に導か自己組織化と古典的なトップダウンの投影リソグラフィを組み合わせた新しいハイブリッドアプローチ（ 図1）の研究を提示します。 Nの自己組織化単分子膜（SAM）上の正に荷電したアミン基- （2-アミノエチル）PMMAフィルムの基礎となる-11-アミノウンメトキシシラン（AATMS）現像後に公開されています。 SN-影響を受け穴25内に24 - PMMAの負に帯電したフォトレジスト膜を静電的に負に、21をクエン酸でキャップされた金ナノ粒子（のGNP）を、荷電漏斗。再フローPMMAフォトレジストの膜中に事前に堆積ナノ粒子を飲み込みます。
図1： 戦略の概略図は、正確なサイズのNPを用いたコンタクトホールのパターニングのためのショットノイズやラインエッジラフネスの影響を除去します。ここで、限界寸法（CD）は、孔の所望の直径です。アプローチ（ステップ1）は、酸化サーフィンに正に帯電したアミン基を有するシラン分子の自己組織化単分子膜（SAM）を堆積させることから始まりますシリコンウエハのエース。次に、Eビームリソグラフィは、パターンに穴使用される（ステップ2,3）はめ込みSEM画像に示すように、ショットノイズを発生PMMAフォトレジスト膜、青色層です。リソグラフィは、穴の底にアミン基を露出させます。ステップ4は、制御されたサイズ、静電漏斗（EF）を使用して、リソグラフィでパターン穴にクエン酸をかぶった（負に帯電した）金ナノ粒子（のGNP）の水相堆積を伴います。ステップ5において、100℃までウエハを加熱、PMMAのガラス転移温度は、110℃未満、予め堆積ナノ粒子の周囲にフォトレジストのリフローを生じさせます。エッチングが露出した粒子の酸素プラズマ（ステップ6）のGNPを公開し、その後ウェットエッチング（ヨウ素）（ステップ7）でPMMAを重ねたGNPの大きさに対応する穴を作成します。反応性イオン/ウェットエッチングを用いて結合されたとき、SiO 2（ステップ8）31にフォトレジストの穴のパターンを転写することが可能です。リ参照20からの許可を得て印刷。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
基板上の反対に荷電したGNPとアミン基との間の静電相互作用は、結合部位からのGNPのずれを防ぐことができます。リフロー工程は、のGNPの相対的な位置を維持するが、正孔とSN / LERの影響を消去します。プラズマ/ウェットエッチング工程は、GNPの大きさを有する穴を再生します。反応性イオンエッチングは、SiO 2ハードマスク層にそのパターンを転写します。この方法は、パターニングされたナノホール（NH）より均一なサイズのナノ粒子を使用に依存している、σ、標準偏差として表さなどGNPσいます。このレポートでは、分散およびからのナノ粒子の堆積を伴う（ 図1で説明した図4、図5）のステップに焦点を当ててこの方法の利点と限界を評価するために、彼らの周りのフォトレジストのリフロー。両方の手順は、チップ上の最新の集積回路の製造の電流の流れのない大規模な変更を必要としない、原則的に、より大きな基板にスケーラブルです。
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プロトコル
1.誘導体化し、シリコンウェーハの表面を特徴づけます
- アメリカのラジオ・コーポレーション（RCA）洗浄液のSC1とSC2を用いて、ウエハの表面を清掃してください。
- 体積以下の化学物質を混合することにより、SC1とSC2を準備します。
SC1：H 2 O 2：NH 4 OH：H 2 O = 1：1：5 V / VおよびSC2：H 2 O 2：塩酸：H 2 O = 1：1：5（v / v）です。- 70℃で10分間SC1のウェハを浸し、その後、脱イオン水洗浄を行います。
- （洗浄に続いて70℃で10分、）SC2のための類似のプロトコルに従ってください。
注：クリーニング手順は、有機およびイオン性不純物を除去し、シリコンウェーハの酸化シリコン表面にシラノール基を生成します。
- AATMS有するシリコンウエハの表面を誘導体化
- Dで製造した（0.05 M AATMSで洗浄されたシリコンウェハをインキュベート20分間80℃でRYトルエン）。窒素ガス気流中で5分間、乾燥のための純粋なトルエン中、室温で100 W超音波処理器で5分間超音波処理します。
- 誘導体化されたシリコンウェーハの表面を特徴づけます
- ゴニオメータとImageJのソフトウェア25を使用して接触角を測定します。
- エリプソメータ用いてフィルムの厚みを決定（He-Neレーザー光源を、λ70°の632.8 nmの固定入射角=）25。
- X線光電子分光法（XPS）25によって表面の元素組成を推定します。
2.電子ビームパターニング
- スピンコートレジスト（アニソール中の2％のポリ（メタクリル酸メチル（PMMA））をAATMS-誘導体化されたウェハ上に60秒間4,000rpmで。
- フォトレジスト膜を乾燥させるために120秒間180℃で膜をプリベーク。
- フォトレジスト膜の厚さを測定エリプソメーターを使用して。このHe-Neレーザー光源を確認し、λ= 632.8nmで、70°の入射角で固定されています。シリコンウエハ等の反射面を用いた検出器信号を最大にするために試料ステージを最適化します。フォトレジスト膜の厚さを測定するために接続されたPC上のエリプソメータ測定プログラム（GEMP）を使用します。それは、約100nmであるべきです。
- E-ビーム露光：
- 電子ビーム露光装置の高真空チャンバにウェーハを伝達します。
- 10μmの開口部を通過し、24μC/ cm 3の投与量を提供する電子ビーム（30キロボルト加速電圧、37 pAのビーム電流）を使用して、ポーカードットホールパターンを作成します。
- 希望のホール径（80 nm）のピッチ（200 nm）でのポーカードット型ホールパターンを生成するために、必要に応じてパターンピッチおよび投与量を調整します。
- E-ビームチャンバからウエハを取り外します。
- リソグラフィパターンを開発：
- ベギン70秒間（V）：3（V 1、MIBK / IPA）、メチルイソブチルケトン/イソプロピルアルコールの溶液中のパターンの開発。
- 30秒間IPAに浸漬することによってさらに発展し続けています。 30秒間脱イオン水で洗浄することにより、開発を完了します。窒素ガス流中でウェハを乾燥させます。
E-ビームパターン化された穴にのGNPの3堆積
注：パターン化された穴にのGNPの堆積は、2つの異なる方法を採用しています。
- ハンナラ党のソリューション（方法1）で事前にパターン化されたウエハーを浸し。
- GNPと穴の直径の大きさに応じて、24〜48時間のハンナラ党の懸濁媒体中でサンプルを残します。 7.0×10 11のNP / mLを含む20-nmのクエン酸でキャップされたGNPのサスペンションを使用してください。
注：一つは、5.7×10 12から10から100ナノメートルからGNPのサイズと濃度範囲を採用することができる-テッド・ペラによって提供されるように、9のNP / mLを5.7×10。堆積密度が従うことに注意してくださいD tは、ナノ粒子および堆積時間の拡散係数である拡散法̴（DT）1/2は 、それぞれ、（参照20、 図2cに説明したように、すなわち、より小さな粒子は、堆積のために短い時間がかかります）。
- GNPと穴の直径の大きさに応じて、24〜48時間のハンナラ党の懸濁媒体中でサンプルを残します。 7.0×10 11のNP / mLを含む20-nmのクエン酸でキャップされたGNPのサスペンションを使用してください。
- パターニングされたウェーハ上のスプレー預金のGNP（方法2）
- 蒸発によってのGNPを堆積させるために、水平に配置されたパターニングされた基板上にのGNPの溶液を噴霧。スプレーは、基板表面に対して垂直に向けられるように、手持ち式噴霧器（方法2）配向。
- 基板表面全体を濡らすために懸濁液の十分な量を噴霧。
注：それは大きな穴に複数のナノ粒子を強制的に回避するために、10倍によりGNP懸濁液を希釈する必要があるかもしれません。 - 10分間の制御蒸着を生成するために30〜35℃に保ったホットプレート上でサンプルをインキュベートします。
- 堆積後（いずれの方法でも1または方法2）、窒素ガス流で50秒、乾燥のために、脱イオン水内のサンプル（100 W）軽度ultrasonicate。
4.走査型電子顕微鏡イメージング
注：従来のトップダウン及び断面SEM画像を含んだ研究の二種類。
- トップダウンSEM像は、フォトレジスト膜の損傷を防止するために300μA〜の電流で5 kVの加速電圧の電子ビームを使用します。
注意：可能な限り低い電圧および電流設定は、フォトレジスト内の鎖切断反応を減少させるために必要です。これらの鎖切断反応は、順番に、以下に記載のレジストのリフロー工程の動作温度に影響するポリマーのガラス転移温度を低下させます。 - 断面画像：
- スパッタコート厚さの金膜を10nmのPMMAフォトレジスト上に、イオンビームの損傷を防止します。 30キロボルトおよび93で操作集束Gaイオンビームを使用して、PAはスルーホールをカットします。その通常の水平位置からウエハを傾けることにより、断面のSEM画像を得ます。
パターン化ホールでのGNPの周りPMMAフォトレジストの5リフロー
- 予め決められたガラス転移温度以下で3分間、T リフロー （100℃）のホットプレート上にパターニングされた基板を加熱し、T gを （110°C）、950,000グラム/モルPMMAの。ポリマーのリフローの速度は1.7±0.1ナノメートル/秒でした。
注意：かなり速いリフローに至る以前に、おそらくため、電子ビームに露光中にポリマー骨格鎖の切断、走査型電子顕微鏡（SEM）で撮影中に電子ビームに露光されたパターン形成された領域で発生しましたT gの減少。この観察は、X線放射線への曝露は、Tを減少させることに留意Keymeulen及び共同研究者からの研究によって支持されていますPMMA 26のグラム 。
6.乾式と湿式エッチング
- リフロー後のPMMAの薄い膜で覆われたGNPを露出させるために、酸素プラズマとの十分な時間（55秒）のためのドライエッチング。注意深くエリプソメーターまたは薄い膜厚モニタを使用して、時間の関数としてのPMMA膜エッチングの速度を監視します。
注：あまりにも長い間エッチングして完全にPMMA膜を除去だろうが、あまりにも短エッチング時間は、のGNPを公開しないことがあります。 950 kDaのPMMAの場合、エッチング速度は、エッチング時間の55秒を必要とする、1.5ナノメートル/秒でした。 - ヨウ素結晶（I 2）を1.0g、ヨウ化カリウム4.0gの（KI）、および10分間、脱イオン水40mLを含有するヨウ素溶液を用いて、リフロー後、コンタクトホールの底部にウェットエッチングたGNP、。
注：ヨウ化カリウムは、溶液中のヨウ素の溶解性を向上させ、金のエッチングを容易にします。ヨウ素と金の反応（2AU + I 2→2 AUI）が金を生産します室温で水溶液中にわずかに可溶性であるヨウ化。
7 。粒子変位、密度、および塗りつぶし分数の計算
- 穴中心とハンナラ党の変位の場所：
- 手で、これらの線の交点に確立された穴中心にそれぞれの穴の行と列を介して水平方向および垂直方向の最良適合直線を描画する（ 図2Aおよび2B）。計算に少なくとも500+孔を含みます。
- 手動ナノホール（ すなわち、変位）それが付着していた（ 図2b）の中心までの各ナノ粒子の位置、rは 、決定します。
- 標準的なスプレッドシートプログラムを使用して変位ヒストグラム対粒子数を決定します。
- 粒子密度の計算：ρ= N（粒子数）/単位面積（μm2で）：
- まず、R（=（R 1 の変位で固定幅（Rは穴の半径である≈R/ 10）とリングの環状領域を決定し、二つの半径によって境界（R 1、R 2） + R 2）/ 2）。
。 - 上記、ステップ7.2で構築されたヒストグラムからエリア内の粒子数、Nを合計します。
- R = R、穴の半径で終わる約10同じ手順を生成するために、rの関数としての手順を繰り返します。
注：リフロー後の穴が消え、穴のセンターのための最良適合値を決定するために、ハンナラ党のポジションで最高のフィット水平線と垂直線を描画します。ステップ7.1のように、粒子の変位を計算し、ステップ7.2から7.4に描かれたプロトコル以下の組み合わせσの合計を抽出します 。
注：ここでは、組み合わせたり合計が原因で堆積し、リフロー工程にGNPの全体的な変位を指します。
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結果
図2は、静電漏斗によって駆動される60〜100ナノメートルの厚さのPMMAフィルムにパターン80 nmの直径の穴に堆積し20ナノメートルのGNPのSEM画像を示します。他22によって観察されるように、プロセスは、穴あたり一つの粒子が得られました。穴の中心付近の粒子の分布は、ガウス（右上挿入図）でした。ほとんどの穴（93％）を一度GNPを含み、これらの粒子の95％は、中心の20ナノメートル以内に起こりました。他の箇所で説明更なる最適化は、充填画分とのGNP 20、25のセンタリングを向上させるために必要とされます。 図2b及び2cは、前にフォトレジストのリフロー後、ウェーハの大きな領域から堆積のGNPのSEM画像を示します。議論のセクションでは、さらに定量分析を提示します。
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ディスカッション
リソグラフィにおけるショットノイズ（SN）指定されたナノ領域に到着する光子または粒子（N）の数の統計的変動の単純な結果です。それは光子/粒子数の平方根に反比例します。
Aおよびrは 、それぞれの領域と露光領域のサイズがどこにいます。パターン50 nmの孔へのArF 193-NM（6.4 eV）でエキシマレーザを使用する場合、例えば、光子の数は、受信された52ミリジュール/ cm 2の露光量で、約1×10 6です。 50 keVの電子ビーム源のために、50ミリジュールを送達する電子数/ cm 2の SNの効果は、電子ビームリソグラフィのための100倍になることを意味する、約128です。さらに、所定の領域に到達した光子/電子の数は、パターンの面積を直接減少します。その結果、アル穴の寸法が減少細工するよう「同一」露光結果を受け取...
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開示事項
著者らは、開示することは何もありません。
謝辞
インテルコーポレーションは、認可番号414305を介して、この作業に資金を提供し、オレゴン州ナノテクノロジーとマイクロテクノロジー・イニシアティブ（ONAMI）が一致する資金を提供しました。我々は感謝して、この作業のすべての段階で博士ジェームズ・ブラックウェルのサポートやアドバイスを認めます。特別な感謝は、粒子の位置の統計情報を分析するためのドリューBeasauとチェルシーベネディクトに行きます。我々は、電子ビームリソグラフィと彼の助けのために、オレゴン州ユージーンの大学で、原稿を注意深く読むための教授ホール博士クルトLangworthyに感謝し、OR。
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材料
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| AATMS (95%) | 株式会社Gelest | SIA0595.0< | em>N-(2-アミノエチル)-11-アミノウンデシルトリメトキシシラン |
| 金コロイド(テッドペラ社) | テッド・ペラ | 15705-20 | 金 Nao粒子 |
| 過酸化水素 | フィッシャー・サイエンティフィック | H325-100 | 分析グレード(ウェーハの洗浄に使用) |
| 塩酸 | フィッシャーサイエンティフィック | S25358 | 分析グレードの |
| 水酸化アンモニウム | フィッシャーサイエンティフィック | A669S-500SDS | 分析グレード(ウェーハの洗浄に使用) |
| フッ化水素 | フィッシャー・サイエンティフィック | サイ | AC277250250 分析グレード(SiO2) |
| トルエン(無水、99.8%) | シグマ・アルドリッチ | 244511 | 分析グレード(AATMS |
| イソプロピルアルコール(IPA | シグマ・アルドリッチ | W292907 | 分析グレード(製造に使用)現像剤) |
| メチルブチルケトン(MIBK) | Sigma Aldrich | 29261 | 分析グレード(現像剤の製造に使用) |
| 1:3 MIBK:IPA現像液 | Sigma Aldrich | 分析グレード(現像剤) | |
| 950 kポリ(メタシル酸メチル(PMMA、アニソール中4%) | Sigma Aldrich | 182265 | 電子ビームリソグラフィー |
| 用フォトレジスト精製水:Barnstead Sybron Corporation浄水ユニット、抵抗率19.0 MΩcm | 基板洗浄用水 | ||
| ガートナーエリプソメータ | Gaertner | レジストとSAMの厚さ測定 | |
| XPS, ThermoScientifc ESCALAB 250 機器 | Thermo-Scientific | 表面組成 | |
| An FEI Siron XL30 | Fei Corporation | ナノパターンの特性評価 | |
| ツァイス シグマ VP FEG SEM | ツァイスコーポレーション | Eビーム露光とパターニング | |
| MDS 100 CCDカメラ | コダック | 接触角測定用液滴形状 | |
| テガル・プラズマ・プラズマ | ガル | 酸素 エッチングフォトレジスト | |
| I2 | Sigma アルドリッチ | 451045 | 金エッチング液用部品 |
| KI | シグマ・アルドリッチ | 746428 | 金エッチング液用部品 |
| エリプソメーター (LSE Stokes model L116A) | Gaertner | L116A | AATMS自己組織化単層膜厚測定 |
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