Способ изготовления субмикронных и нанометровых элементов твердотельных приборов

 

Использование: полупроводниковая технология, для создания многократно используемых масок с самоформирующимся и самосовмещенным литографическим рисунком. Сущность изобретения: способ заключается в следующем: на поверхность твердого тела наносят двухслойную маску с заданными свойствами и с рисунком, формирующим в ней концентраторы механических напряжений, обрабатывают маску для генерации в ней заданных механических напряжений, что приводит к образованию узких отверстий в маске в местах расположения концентраторов путем трещинообразования, а затем и к прецизионному сдвигу их краев за счет скольжения верхнего слоя маски по нижнему вспомогательному слою. Затем с областей поверхности вблизи отверстий удаляют вспомогательный слой из-под основного слоя маски. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой (твердотельной) технологии и может быть применено для изготовления многократно используемых литографических масок с самоформирующимися и самосовмещающимися отверстиями в производстве твердотельных приборов с субмикронными и нанометровыми размерами элементов.

Реализация новейших физических принципов в электронных приборах с нанометровыми размерами требует поиска новых методов технологии, создания литографических масок и способов формирования нанометровых элементов. При подходе к нанометровым размерам современные методы электронной и ионной литографии наталкиваются на ряд труднопреодолимых ограничений. Это прежде всего эффекты отражения от подложки; недостаточная фокусировка и рассеяние электронного пучка; дифракционные эффекты и недостаточная разрешающая способность. Важнейшей проблемой является недостаточная точность совмещения изображений (лучшая точность совмещения ≈ 100 нм). Это главный недостаток пучковых литографических методов формирования нанометровых элементов, который заставляет искать альтернативные технологии таких элементов с применением самоформирования и самосовмещения.

Известен способ изготовления твердотельных приборов с субмикронными размерами элементов, описанный в заявке Франции N 2312856, МКИ H 01 L 21/308, 1977 и включающий: 1. Изготовление на поверхности твердого тела маскирующего слоя из двух различных пленок, которые покрывают соседние участки пластины и плотно контактируют между собой на месте создания отверстия в маске. Для этого на поверхность подложки наносят первый слой, который частично удаляется с помощью фотолитографии так, что на местах будущих отверстий располагаются ровные края в первом слое маски.

2. На вскрытых участках подложки изготавливают второй маскирующий слой, смыкающийся своими краями с первым.

3. Проведение селективного травления так, чтобы получить смещенный край в первом маскирующем слое и вскрытое узкое отверстие до подложки между двумя маскирующими слоями. Это отверстие при дальнейших операциях служит для получения элементов твердотельных приборов с малыми размерами. Например, напылением пленки металла с удалением маски по методу взрыва можно получить узкие полоски металла на подложке. После подтравливания или легирования подложки сквозь отверстия в маске, последнюю можно использовать вторично для получения нового рисунка, конформного первому и самосовмещенного с ним. Для этого нужно повторить селективное травление 1-го маскирующего слоя и вызвать новое смещение края отверстия в нем, т.е. изменить ширину отверстия.

Данный способ позволяет получить в маске отверстия субмикронных размеров без использования электронной литографии. Заметим, что это, в частности, обеспечивается хорошим контактом первого слоя маски со вторым на их стыке (перед селективным травлением). Такой контакт нельзя получить путем напыления второго слоя на первый, т.к. для удаления 2-го слоя с нижележащего необходимо применить сверхвысокоточную литографию. Поэтому второй слой можно изготовить только из материала подложки, подвергая ее участки, незакрытые первым слоем маски, какой-либо химической обработке, при которой образуется тонкая защитная пленка, точно контактирующая с первым слоем маски. Наиболее просто этот способ реализуется на кремнии, когда 1-ым слоем служит пленка Si₃N₄, а вторым пленка SiO₂, получаемая окислением кремния в открытых окнах маски Si₃N₄. Здесь обеспечивается и хороший контакт обоих слоев и селективность травления.

Но в случае других полупроводниковых подложек трудно найти такие подходящие химические реакции, которые обеспечивали бы формирование защитных пленок, выполняющих роль 2-го слоя маски. Поэтому недостатком данного способа является отсутствие универсальности, наличие ограничений в использовании материалов подложки.

Вторым существенным недостатком данного способа является невозможность получения отверстий с субмикронными и нанометровыми размерами и ровными краями, что связано с неоднородностью их травления. Последнее обусловлено совокупностью факторов: механическими напряжениями, связанными с краевыми эффектами, структурной и химической неоднородностью самой пленки и ее наследованной от подложки дефектностью. Вместе это даст разброс в размере отверстий при их вытравливании сравнимый с шириной самих отверстий.

Третий недостаток способа: невозможность повторного использования маски для получения самосовмещенных рисунков при нанесении сверху на нее какой-либо пленки, т.к. для получения элементов прибора из этой пленки на подложке маска стравливается в процессе взрывной литографии. В случаях же многократного изменения ширины отверстия в маске при селективных травлениях 1-го слоя надо учитывать, что толщина этого слоя уменьшается с той же скоростью, с которой смещается край отверстия в ней. При этом маскирующие свойства 1-го слоя могут ухудшаться, а увеличение исходной толщины 1-го слоя не всегда приемлемо, т. к. это может внести осложнения, например, снижение качества краев, трудности напыления, длительность термообработок и т.п.

Известен другой способ, предложенный P.Chao, W.Ku, C.Lowe (IEEE Electron Device Lett, 1982, EDL-3, p.286), в котором движение края отверстия в маске используют для изготовления на подложках пленочных элементов с субмикронными размерами. Для этого проводят следующие операции: 1. На подложку наносят первый слой маски фоторезист, в котором методом фотолитографии формируют узкое отверстие. На этом этапе возможно использование маски для вытравливания углублений на подложке или ее легирования через отверстия в маске. Вместо фоторезиста могут быть использованы пленки SiO₂ или Si₃N₄, которые часто применяют в качестве масок в фотолитографии.

2. На 1-ый слой маски методом косого напыления под углом 15^o наносят 2-ой слой из золота. При этом края 1-го слоя маски вблизи отверстия запыляются по разному. На одном краю слой золота тоньше, чем в дали от отверстия, а на другом образуются наносы золота в виде карниза, нависающего над отверстием и частично его перекрывающего. Количество напыленного золота определяет длину карниза. Таким образом при косом напылении происходит смещение одного края отверстия и уменьшение ширины отверстия. Такую модификацию маски с изменением размера отверстий можно рассматривать как формирование нового рисунка в маске, самосовмещенного с использованным в предыдущей технологической операции.

3. Напыляют слой металла потоком, нормально направленным к подложке. За счет частичного перекрытия отверстия карнизом из золота в двойной маске на подложке формируется полоска металла субмикронных размеров, т.е. существенно меньше ширины отверстия в 1-ом слое маски. Далее следует операция удаления маски по методу взрывной литографии.

Данный способ отличается универсальностью, заключающейся в отсутствии ограничения на используемые материалы подложки.

Принципиальным недостатком прототипа является трудность получения отверстий малых размеров ≈ 0,1 мкм и меньше, т.к. для этого необходимо напылять "карнизы" относительно больших размеров и, следовательно, получать вспомогательную пленку золота (или другого металла) с большой толщиной. При этом возникают следующие трудности. Первая необходимо строгое поддержание постоянной скорости напыления металла для воспроизводимости процесса и контроля ширины отверстия. Вторая трудность локальная неравномерность скорости роста карнизов по длине отверстия. Причинами этого могут быть разные факторы: неоднородность толщины нижнего слоя маски, волнистость поверхности подложки, дефекты в ней и в 1-ом слое маски, неоднородность ширины отверстия, дефектность его краев и т.д. С увеличением толщины слоя золота и длины карнизов степень этих неоднородностей возрастает, что приводит к росту неоднородности ширины отверстия вдоль его длины. Эти дефекты проиллюстрированы в книге У. Моро "Микролитография", т.2, М.Мир, 1990, с.760, рис.12.3.8, где описано косое напыление при приготовлении полоски металла шириной 0,06 мкм на пластине GaAs. Третья трудность связана с ухудшением условий для проведения операций стравливания маски в процессе взрывной литографии при больших толщинах металлов на фоторезисте. Еще одним недостатком способа является изменение ширины карниза при изменении ориентации отверстия относительно потока металла, напыляемого под углом.

Таким образом, способ является технологически сложным, трудно контролируемым, ограниченным по своим возможностям получения узких отверстий, и маска не может использоваться многократно, т.е. для получения нескольких самосовмещенных рисунков.

Оба описанных способа не являются простыми, универсальными, высокоэффективными, надежными и поэтому мало перспективны в нанотехнологии.

Поставленная задача создание многократно используемых литографических масок с самоформирующимися, самосовмещенными элементами рисунка для изготовления твердотельных структур (в том числе полупроводниковых) с субмикронными и нанометровыми размерами.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе изготовления субмикронных и нанометровых элементов твердотельных приборов методом самосовмещения, включающем изготовление масок, состоящее из нанесения на поверхность твердотельной подложки двухслойного защитного покрытия и создания в нем отверстий, вскрытие поверхности подложки, обработок этой поверхности сквозь отверстия в маске при последовательных модификациях маски с изменением размеров отверстий в ней, причем, в двухслойном защитном покрытии основной маскирующий слой изготавливают из материала, в котором возможно создание необходимого уровня внутренних механических напряжений, а второй вспомогательный слой маски формируют между основным слоем и подложкой из материала с контролируемо изменяемой вязкостью, в заданных местах основного маскирующего слоя после создания в нем узких отверстий при вскрытии поверхности подложки удаляют из области под отверстиями вспомогательный слой, а последовательные изменения ширины отверстий в маске осуществляют путем контролируемых изменений внутренних механических напряжений в основном слое и уменьшения вязкости во вспомогательном слое, что приводит к изменению линейных размеров основного слоя и его отдельных областей и их скольжению вдоль поверхности подложки по вспомогательному слою.

Кроме того субмикронные и нанометровые отверстия в основном маскирующем слое создают путем управляемого трещинообразования, для чего в заданных местах этого слоя формируют концентраторы напряжений и контролируемо повышают растягивающие напряжения во всем слое, которые, локализуясь на концентраторах, вызывают в этих местах образование узких трещин.

Причем контролируемые изменения механических напряжений в основном маскирующем слое осуществляют термообработкой слоя и/или облучением его ионами и/или выдержкой во влажной атмосфере.

В способе удаление вспомогательного слоя из областей под отверстиями в основном слое маски осуществляют с подтравом под основной слой.

Смещение краев отверстий в основном защитном слое происходит под действием внутренних механических напряжений, генерируемых в этом слое, путем скольжения по нижнему вспомогательному слою, обладающему пониженной вязкостью. Степень этого смещения определяется уровнем механических напряжений в основном слое и вязкостью нижнего слоя. Последнюю можно менять путем подбора материала прослойки с нужными свойствами, а механические напряжения в основном слое можно контролируемо менять, подвергая его определенным внешним воздействиям, например, термообработкам, от температуры и длительности которых будет зависеть их уровень. Т.о. меняя интенсивность такого воздействия на верхний слой маски, можно контролируемо менять величину смещения краев литографического рисунка относительно первоначального его положения. Последовательные воздействия на верхний слой маски, вызывающие постадийные субмикронные и нанометровые смещения краев отверстий в нем, позволяют использовать данную маску многократно в процессе изготовления элементов твердотельного прибора.

В известных случаях рост растягивающих напряжений в пленках приводит к их хрупкому разрушению появлению трещин. Существуют условия, определяющие критическую толщину пленки h_кр и уровень механических напряжений в ней, при достижении которых в пленке возникают трещины. Величина h_кр зависит от механических характеристик пленки, вязко-упругих свойств промежуточных слоев и подложки, что и определяет конкретное значение h_кр для каждой многослойной системы. Изменяя параметры такой системы, можно управлять величиной h_кр. В данном техническом решении впервые используется управляемое трещинообразование для получения отверстий в подготовленных местах диэлектрических пленок, применяемых в качестве литографических масок.

На фиг. 1 представлена схема двухслойной литографической маски для создания субмикронных и нанометровых элементов прибора, где а смещение краев предварительно созданного рисунка в маске; б конечная самосовмещенная структура; 1 подложка; 2 нижний вязкий (жидкоподобный) слой маски; 3 - верхний скользящий слой маски; 7 первоначальное отверстие в двухслойной маске; 8 стрелками указаны края после их смещения и формирования самосовмещенного рисунка; 9 слой металла, осажденный электролитически; на фиг. 2 формирование элементов структуры с субмикронными и нанометровыми размерами путем прецизионного сдвига краев литографического рисунка в двухслойной маске, где а предварительно сформированное отверстие (указано стрелками 7) в маске и подложке; б сдвиг края отверстия в маске с частично удаленным нижним слоем и напыление полоски металла; 1 подложка; 2 нижний слой маски; 3 второй слой маски; 8 края отверстия после их смещения; 9 - напыленный слой металла, в центре полоска, отделенная субмикронными интервалами от краев выемки в подложке; на фиг. 3 показана структура с узкими отверстиями в двухслойной литографической маске в виде трещин в местах, подготовленных фотолитографией, где 1 подложка; 2 нижний слой, обеспечивающий скольжение верхнего слоя 3, в котором вытравлены полоски 4 с концентраторами напряжений (К) 5; 6 трещины, возникающие в маске на концентраторах K; на фиг. 4 дано изображение отверстия в виде трещины в структуре кристаллическая подложка Si- пленка Si₃N₄, полученное в просвечивающем электронном микроскопе ЭМ-200 ПЭМ. Увеличение x 60000; на фиг. 5 изображено задаваемое с помощью концентраторов 5 трещинообразование 6 (ср. с фиг. 3) в двухслойной пленке GeO₂-SiO₂. Ширина полоски 4 100 мкм; на фиг. 6 представлено изображение трещины 6 (ср. с фиг. 3) с разошедшимися краями, возникшей на концентраторе 5 в полоске 4 двухслойной пленки GeO₂(слой 2)-SiO₂(слой 3). Получено на растровом электронном микроскопе марки "Cambridge stereosan S-2A" после напыления Al, увеличение x 1,4·10⁵; на фиг. 7 показаны узкие отверстия в виде трещин в двухслойной маске, возникающие на концентраторах ступенях, приготовленных фотолитографией, где 1 подложка; 2 нижний (жидкоподобный) слой; 3 верхний слой с концентратором в виде ступени 5, обозначенной стрелкой; 6 трещина в маске, возникшая на ступени 5, с разошедшимися краями.

Управляемое трещинообразование достигается созданием в маске концентраторов механических напряжений (К) с помощью фотолитографических методов и химического травления (фиг. 3), подробное описание которого приведено в примерах 1, 2. Растягивающие напряжения вблизи концентраторов в силу краевых эффектов значительно превышают их уровень в однородной пленке, что существенно увеличивает вероятность образования трещины на концентраторе.

Исследования показали, что можно подобрать такие условия хрупкого разрушения пленки, когда начальная ширина трещины не превосходит нескольких нанометров (фиг. 4). Это является одним из примечательных достоинств получаемого самоформирующегося объекта трещины для создания элементов прибора нанометровых размеров. Другим очень важным достоинством данного объекта является то, что края трещины оказываются очень ровными, без выступов и шероховатостей. Использование маски с такими ровными краями рисунка обеспечивает высокое качество формируемых с ее помощью тонких элементов прибора. Последующие отжиги позволяют контролируемо менять ширину трещины с очень малым шагом. Таким образом в предлагаемом способе управляемое трещинообразование и использование самосовмещения маски позволяет поэтапно создавать элементы прибора с нанометровыми размерами, применяя различные операции легирования, напыления и травления слоев и подложки и т.д.

В общем случае для получения самосовмещенных отверстий маски в предлагаемом техническом решении необходимо достичь контролируемого сдвига ее верхнего слоя относительно подложки скольжением по промежуточной прослойке. Для организации такого смещения можно использовать различные физические явления, связанные с изменением линейных размеров твердых тел при релаксации внутренних напряжений, генерируемых в них определенными внешними воздействиями, например, термическое расширение или магнитострикция и пьезоэлектрический эффекты в маске, облучение ее заряженными частицами, абсорбция маской паров воды и т.п. Учитывая достаточную изученность явлений и свойств большинства материалов, в том числе и пленочных, очевидна возможность подбора таких маскирующих покрытий, которые при использовании вышеперечисленных эффектов обеспечат сверхмалые изменения линейных размеров.

Данная разработка опирается на результаты исследований воздействий отжигов, облучения и ряда других обработок на структурные и механические свойства пленок SiO₂, Si₃N₄, GeO₂-SiO₂, GeO₂-Si₃N₄, полученных методом осаждения из газовой фазы, на подложках Si, Ge, GaAs, CdHgTe и др. В частности найдено, что при абсорбции влаги пленками диоксида кремния и при облучении их различными ионами в них развивается сжимающая компонента напряжений, тогда как при отжигах - растягивающая. Начальный уровень и знак напряжений в пленках при комнатной температуре зависит от материала подложки, различия коэффициентов термического расширения пленки и подложки от условий получения пленок. Последние определяют так называемые внутренние напряжения в пленках, которые могут меняться в широких пределах вплоть до смены их знака под влиянием внешних воздействий, таких, например, как отжиги, ионное облучение, адсорбция влаги и др. Это позволяет контролируемым образом, управляя уровнем напряжений и вязкостью пленок, получать заданные смещения (причем как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения) литографического рисунка при изготовлении твердотельных приборов нанометровых размеров. Данные возможности различных комбинаций одно- и двухслойных пленок позволяют говорить о новом классе литографических масок для создания самоформирующихся и самосовмещенных объектов наноэлектроники.

Физический механизм изменений размеров двухслойной литографической маски заключается в следующем. Путем определенного воздействия на двухслойную маску добиваются изменения механических напряжений в верхнем ее слое и снижения вязкости нижнего слоя. Последнее обеспечивает релаксацию напряжений верхнего слоя за счет его скольжения по нижнему. Контролируемое скольжение верхнего слоя позволяет получить заранее выбранное смещение краев отверстий в маске. Как было показано, первоначально сплошные двухслойные пленки GeO₂-SiO₂ и GeO₂-Si₃N₄ на подложках из германия при нагревах образцов разрываются под действием растягивающих напряжений с образованием островков пленки, ограниченных краями трещин. В дальнейшем эти островки, скользя по слою GeO₂, обладающему низкой вязкостью, уменьшают свои размеры, а ширина трещин, очевидно, при этом увеличивается. Эти явления наблюдались при температурах отжигов T > 500^oC, когда вязкость нижнего слоя диоксида германия сильно снижается. Использование прослоек с большой вязкостью предотвращало трещинообразование.

Такое поведение пленок диоксида и нитрида кремния связано с их внутренней структурой и, в частности, с наличием в них примесей. Величина изменения объема пленок определяется количеством в них гидроксильных групп OH и химически связанного водорода. Так под влиянием отжигов уменьшается количество OH-групп в пленках диоксида кремния, а при выдержке их во влажной среде - число OH-групп растет. В первом случае объем пленки уменьшается, в ней растут растягивающие напряжения, а во втором объем пленки увеличивается, растягивающие же напряжения падают. При отжигах пленок Si₃N₄ снижается концентрация Si-H и N-H групп за счет отрыва и ухода водорода. При этом пленка сжимается и в ней развиваются растягивающие напряжения. Облучение пленок ионами с высокой энергией создает в них большое число дефектов в виде оборванных связей, из-за чего в определенных условиях растут сжимающие напряжения в пленках и они расширяются. Тип примесей и их концентрация в слоях диоксида и нитрида кремния сильно зависят от условий их получения. В настоящее время технология синтеза пленок позволяет воспроизводимо получать слои с различной наперед заданной концентрацией примесей. Подбирая температуру и длительность отжигов, можно контролируемо менять и концентрацию OH-групп и водорода, что, в свою очередь, позволяет контролируемо менять объем пленки в широких пределах от сотых долей до десятков процентов от его первоначального значения. Это означает, в частности, что полоску пленки длиной в 10 мкм можно контролируемо изменить при ее свободном скольжении по подложке на величину от единиц и десятков нанометров до единиц микрон.

Такое свободное перемещение участка верхнего слоя маски относительно подложки легко обеспечить с помощью подтрава нижнего вспомогательного слоя пленки в местах формирования элементов прибора, используя селективное травление. При этом свободный промежуток между маской и подложкой формально может представляться как вспомогательный слой с нулевой вязкостью.

Таким образом, в сравнении с прототипом, предложенный способ имеет ряд преимуществ, а именно: 1. В предложенном способе можно вызвать изменение размеров маски независимо от наличия на ней какого-либо слоя (например, слоя металла или диэлектрика), воздействуя на маску отжигами или облучением высокоэнергетическими частицами. Другими словами, можно в едином цикле получить целый набор самосовмещенных элементов прибора нанометровых размеров с помощью только одной маски (см. примеры), вызывая ряд последовательных изменений в ее размерах и проводя такие технологические операции, как напыление пленок, травление и локальное легирование подложки. В прототипе возможность многократного использования маски принципиально существует, но практическая реализация трудна и малоэффектна, т.к. даже облучение или травление подложки сквозь тонкие карнизы из напыленных металлов способно вызвать их механическое повреждение или коробление.

2. Предлагаемый способ не имеет недостатков, присущих способу формирования узких отверстий с помощью метода косого напыления металлов. Это прежде всего неоднородность ширины отверстия и неровность его краев. Действительно, сдвиг края отверстия в двухслойной маске в предлагаемом способе под действием отжигов или ионного облучения происходит равномерно по всей его длине. Это обусловлено равномерным изменением размеров пленки по всей площади пластины, благодаря высокой однородности свойств слоя маски и их изменения. Качество краев отверстий при самосовмещенном сдвиге маски не нарушается и определяется качеством первой литографии, формирующей окна в маске. Неоднородность краев отверстий в маске оказывается предельно низкой и в случае формирования их с помощью трещинообразования (фиг. 4 и пример 3).

3. Преимуществом предлагаемого способа является и возможность смещения края отверстия в маске в обе стороны от исходного его положения. Нависающие края отверстий в маске при расширении пленки могут надвигаться на соседние открытые участки подложки (см. пример 5). Это возможно при абсорбции влаги пленками диоксида кремния, осажденными из газовой фазы (или при ионном облучении пленок SiO₂, Si₃N₄ и им подобных). При отжиге такой пленки удаление из нее влаги вызывает сдвиг края отверстия в маске в противоположную сторону, открывая участки подложки, находившиеся ранее под маской.

По совокупности достоинств предлагаемый способ выгодно отличается от известных способов производства самоформирующихся нанообъектов. Это прежде всего технологичность, универсальность, относительная простота, экономичность и надежность способа. Это определяет перспективность и широкое применение способа в серийном производстве. Все достоинства предлагаемого способа обеспечиваются высоким уровнем развития технологии изготовления пленочных покрытий, которые можно использовать в качестве масок на различных по материалу подложках. В частности, для диэлектрических пленок, получаемых осаждением из газовой фазы (ОГФ), и прежде всего SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, GeO₂, TiO₂ и др. известно большое число способов их роста, обеспечивающих высокий уровень воспроизводимости различных параметров пленок. Диапазон изменения температур роста пленок составляет 50 1000^oC, скорости роста 1 100 нм/мин, и при этом толщина пленки в области 5 1000 нм контролируется с точностью, не хуже 10% В зависимости от материала пленки и условий ее получения плотность пленок меняется от единиц до десятков процентов, скорость травления в селективных травителях в десятки раз, динамическая вязкость при температурах не выше 200^oC в пределах, обеспечивающих смещение краев литографического рисунка от единиц нанометров до нескольких микрон, критические толщины трещинообразования меняются от 15 до 1000 нм, количество абсорбированной влаги в слоях ОГФ SiO₂ от долей до десятков мольных процентов, количество связанного водорода в диоксиде и нитриде кремния от сотых до десятков процентов.

Хорошо контролируются и воспроизводятся нужные изменения в свойствах пленок при их различных обработках: отжигах, облучении, адсорбции-десорбции влаги и др.

Все вышеприведенное в пользу предлагаемого способа обеспечивает легкий выбор необходимых пар маскирующих пленок для изготовления различных субмикронных и нанометровых элементов твердотельных приборов на различных полупроводниковых и иных подложках.

Пример 1. Двухслойную маску на подложке из GaAs(111) изготавливали из вспомогательного слоя SiO₂ (условия роста: РПД, T 160^oC, смесь Ar, O₂, SiH₄, толщина слоя h 40 нм) и основного слоя Si₃N₄ (плазмохимическое осаждение, T 190^oC, NH₃+SiH₄, h 120 нм). Далее при помощи фотолитографии и плазмохимического травления в ней вытравливали окна до подложки (фиг. 1). Фоторезист удаляли в кислородной плазме. На пластину в вакууме напыляли слой золота (9) толщиной 60 нм. Затем образец отжигали в Ar при температуре 400^oC в течение 8 мин. При этом края отверстий в двухслойной маске смещались на 0.07 мкм от исходного положения. С открывшихся участков подложки плазмохимическим травлением удаляли нижний слой маски, а затем вытравливали канавку в подложке глубиной 25 нм. Маску вместе с напыленным на ней золотом по технологии взрывной литографии удаляли травлением в химическом растворе. В итоге получили на подложке полоски золота, обрамленные по краям узкими канавками. Пример иллюстрирует возможность использования сдвига краев отверстий, сформированных фотолитографией в двухслойной маске, для изготовления элементов приборов с субмикронными размерами.

Пример 2. Кристаллическую подложку (1) Ge (111) окисляли с целью создания вспомогательного слоя (2) GeO₂ толщиной h 20 нм при температуре T 570^oC в течение t 5 мин, сверху осаждали основную защитную пленку (3) SiO₂ с h 400 нм при T 450^oC в течение t 20 мин по реакции окисления SiH₄ в потоке O₂ (фиг. 2). Затем наносили фоторезист, вскрывали в нем окна шириной 2 мкм и проводили его сушку при 150^oC. Сухим плазмохимическим травлением структуры получали канавку с резкими краями (7) в маске, захватывающую и подложку на глубину до 0,1 мкм. Фоторезист удаляли в плазме O₂. После этого проводили подтравливание вспомогательного слоя GeO₂ в жидком селективном травителе с целью частичного удаления его из под SiO₂ на расстояние до 10 мкм от краев канала. Таким образом в структуре была сформирована консольно висящая пленка SiO₂ с обеих сторон канавки. Все эти операции выполняли с применением специальных мер, обеспечивающих после синтеза пленки SiO₂минимальный контакт образца с влагой в атмосфере и химических растворах. Последующая выдержка образца во влажном воздухе приводила к перемещению краев пленки SiO₂ навстречу друг другу (за счет абсорбции паров воды пленкой) на расстояние до 0.08 мкм с каждой стороны. Затем образец через шлюзовое устройство быстро вносили в вакуумную камеру, где по прошествии не более 4 мин на него напыляли слой золота (9) толщиной ≈ 50 нм. После стравливания маски получали следующую структуру: канавку в полупроводнике шириной 2 мкм и глубиной 0,1 мкм и по середине ее полоска Au, отстоящая от краев канавки на ≈ 0,08 мкм. Пример иллюстрирует возможности смещения краев отверстий в маске предлагаемым способом не только при сжатии маскирующего покрытия, но и при его расширении.

Пример 3. Двухслойную маску на подложке Ge (1) изготавливали по технологии примера 2 с толщиной слоев SiO₂ ≈ 250 нм (3) и GeO₂ ≈ 10 нм (2) (фиг. 3). Концентраторы напряжений (5) в основной пленке формировали с помощью фотолитографии путем вытравливания на глубину ≈ 180 нм полосок (4) различной ширины и с каждой стороны полоски также формировали треугольные выемки (5), расположенные друг против друга. Образцы отжигали в Ar при T 570, 620 и 650^oC в течение 40, 25 и 10 мин, соответственно. При этом в пленке SiO₂ повышались внутренние напряжения, которые локализовались в полосках в местах расположения треугольных выемок концентраторов напряжений К. В строго заданных концентраторами местах образовывались трещины (6). Слой GeO₂ является жидкоподобным при этих температурах, поэтому он не передает механических напряжений в подложку из SiO₂ и служит пластической прослойкой между ними. Ширина полученных трещин для каждой из температур отжига составляла, соответственно, 0,1 0,02, 0,5 0,1 и 0,7 0,1 мкм. Была обнаружена также прямая связь ширины трещины с шириной полоски в SiO₂. В работе использовали полоски шириной 20, 40, 70 и 100 мкм с минимальными расстоянием между концентраторами напряжений вдоль них до 20 мкм. На фиг. 5 представлена оптическая микрофотография системы трещин, возникающих на концентраторах K в описанной двухслойной маске.

Далее на этих образцах были изготовлены узкие металлические электроды, как элементы твердотельных приборов. Плазмохимическим травлением из трещин с поверхности германия удаляли остатки слоя GeO₂ и сверху напыляли слой Al толщиной 80 нм. После чего маску стравливали и на поверхности образцов оставались ряд полосок Al шириной 0,1, 0,5 и 0,7 мкм и длинной от 20 до 100 мкм. (см. фиг. 6). Все измерения субмикронных размеров проводили на растровом электронной микроскопе марки "Cambridge stereoscan S-2A".

Пример 4. Вспомогательную пленку (2) SiO₂ наносили на подложку (1) КРТ (111) при температуре роста T 70^oC до толщины h 100 нм (фиг. 6). Использовали реакцию SiH₄ и O₂ при пониженном давлении (РПД). Сверху при той же температуре плазмохимически осаждали основной слой маски (3) Si₃N₄ с h 160 нм. С помощью фотолитографии и травления в основном слое Si₃N₄ формировали концентраторы напряжений (5) - ступени высотой 120 нм. Для создания трещины (6), вскрывающей поверхность подложки КРТ, образцы отжигали в Ar при T 180^oC в течение 60 мин. При этом в пленке Si₃N₄ развивались растягивающие напряжения, имеющие максимальную величину на краях ступеней, которые вызывали разрыв маски в тонких ее частях, примыкающих к ступеням. В продолжение отжига пленка Si₃N₄ скользит по вязко-текучему слою SiO₂, что обеспечивает расширение трещины (низкотемпературные слои SiO₂ обладают существенно более низкими значениями вязкости по сравнению со слоями Si₃N₄ и с высокотемпературными пленками SiO₂). После отжига пленка SiO₂ удалялась из отверстия селективным травителем.

Так были получены трещины шириной 0,12 0,03 мкм, которые, как и в примере 3, можно использовать для изготовления элементов приборов с субмикронными и нанометровыми размерами.

Пример 5. В примере 4 надежное проявление эффекта управляемого трещинообразования достигается при достаточно большой разнице толщин слоев с той и другой стороны ступени. Если высота ступени небольшая, то возможны отклонения в направлении развивающихся трещин от направления, задаваемого ступенью, как в область более толстой пленки, так и в область более тонкой. В случаях, когда по каким-либо причинам нельзя использовать большой перепад толщин маскирующей пленки для формирования ступени, можно использовать эффект снижения механических напряжений в маскирующих слоях при их облучении высокоэнергетичными частицами: электронами, протонами, ионами. В данном примере двухслойную маску изготавливали так же, как в примере 1 из вспомогательного слоя SiO₂ и основного слоя Si₃N₄ на подложке из полированного кристаллического кварца толщиной 0.4 мм. Далее вытравливали ступени высотой ≈ 35 нм и формировали трещины в маске отжигом при T 400^oC и t 10 мин. Для того, чтобы обеспечить вскрытие поверхности кварца только в заданных ступенями местах, образец до снятия фоторезиста, формирующего ступени в Si₃N₄, облучали Ar с энергией 40 КэВ. Затем после удаления фоторезиста проводили отжиг. Релаксация механических напряжений в облученных тонких участках пленки предотвращала трещинообразование в них, усиливая локализацию напряжений на ступенях, что способствовало развитию трещин вдоль них. Далее проводили операции по изготовлению узких полосок металла по примеру 3. Ширина полученных полосок алюминия была около 0.1 мкм и менее, длина до 250 мкм.

Сопоставительный анализ показывает, что заявленный способ отличается от предложенного в прототипе принципиально новыми физическими механизмами формирования узких (субмикронных и нанометровых) отверстий с литографических масках на твердотельных и полупроводниковых подложках, а также методами получения самосовмещенных рисунков в таких масках. Введены новые операции: 1 создание двухслойной маски с заданными свойствами (главными из которых являются возможность управляемого изменения механических напряжений в верхнем слое и контролируемо изменяемая вязкость нижнего слоя, обеспечивающая скольжение верхнего слоя относительно подложки); 2 создание специального рисунка в первом слое маски, формирующего концентраторы механических напряжений; 3 обработка маски для генерации в ней заданных механических напряжений, приводящая к образованию узких отверстий-трещин в маске и к прецизионному сдвигу их краев.

Сравнение с другими техническими решениями показывает, что признаки, отличающие заявленное решение от известных, являются новыми, т.к. не известны способы получения отверстий в литографических масках путем управляемого трещинообразования в них, и получение самосовмещенных рисунков литографических масок путем смещения краев отверстий в маскирующих пленках при их скольжении по слою с низкой вязкостью под действием контролируемо возрастающих внутренних напряжений в пленке.

Данный способ, безусловно, может быть применен для формирования сверхмалых элементов твердотельных приборов в промышленных условиях. Сверхмалые твердотельные приборы главное направление будущего развития электроники. Способ сравнительно легко реализуется, не требует наличия дорогого оборудования и безусловно экономически выгоден. Главным достоинством, отличающим способ от всех известных до сих пор, является то, что физические механизмы получения элементов сверхмалых размеров не имеют принципиальных ограничений вплоть до единиц нанометров.

Формула изобретения

1. Способ изготовления субмикронных и нанометровых элементов твердотельных приборов методом самосовмещения, включающий изготовление маски, состоящее из нанесения на поверхность твердотельной подложки двухслойного защитного покрытия и создания в нем отверстий до вскрытия поверхности подложки, обработку этой поверхности сквозь отверстия в маске при последовательных модификациях маски с изменением размеров отверстий в ней, отличающийся тем, что в двухслойном защитном покрытии основной маскирующий слой изготавливают из материала, в котором возможно создание необходимого уровня внутренних механических напряжений, а второй вспомогательный слой маски формируют между основным слоем и подложкой из материала с контролируемой изменяемой вязкостью, в заданных местах основного маскирующего слоя после создания в нем узких отверстий при вскрытии поверхности подложки удаляют из области под отверстиями вспомогательный слой, а последовательные изменения ширины отверстий в маске осуществляют путем контролируемых изменений внутренних механических напряжений в основном слое и уменьшения вязкости во вспомогательном слое, что приводит к изменению линейных размеров основного слоя и его отдельных областей и их скольжению вдоль поверхности подложки по вспомогательному слою.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что субмикронные и нанометровые отверстия в основном маскирующем слое создают путем управляемого трещинообразования, для чего в заданных местах этого слоя формируют концентраторы напряжений и контролируемо повышают растягивающие напряжения во всем слое, которые, локализуясь на концентраторах, вызывают в этих местах образование трещин необходимых размеров.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контролируемые изменения механических напряжений в основном маскирующем слое осуществляют термообработкой слоя, и/или облучением его ионами, и/или выдержкой во влажной атмосфере.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что удаление вспомогательного слоя из областей под отверстиями в основном слое маски осуществляют с подтравом под основной слой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7