🗊Презентация Проектирование и производство изделий интегральной электроники. Фотолитография

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ИЗДЕЛИЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ ФОТОЛИТОГРАФИЯ

Литография Литография Литографией (греч. lithos - камень), приме- няемой в производстве ИИЭ, называют про- цесс формирования геометрического рисунка на поверхности кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют эле- менты схемы (базу, эмиттер, электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п.).

Получение топологического рисунка Получение топологического рисунка На первой стадии процесса изготовления ИС после завершения испытаний или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. Процесс создания ри-сунка ИС разбивают на этапы: на одном этапе формируют электроды затвора, на втором кон-тактные окна и т.п. Этим этапам соот-ветствуют различные уровни фотошаблона. С помощью ЭВМ геометрический рисунок топо-логии преобразуют в цифровые данные. С по-мощью этих данных генератор изображения формирует рисунок топологического слоя на шаблоне либо непосредственно на пластине.

Формирование ИС Формирование ИС Законченные ИС получают последователь- ным переносом топологического рисунка с каждого шаблона, уровень за уровнем на по- верхность кремниевой пластины. При этом между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут проводиться различ- ные операции (ионной имплантации, диффу- зии, окисления, нанесение металлизации и т.п.)

Процесс литографического переноса изображения Процесс литографического переноса изображения

Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблон является основным инструментом литографии в планарной технологии. Для изготовления каждой ИС требует- ся комплект фотошаблонов из 4 – 15 (и более) стекол. Топология структуры – рисунок (чертёж), включающий в себя размеры элементов структуры, их форму, положение и приня- тые допуски; Оригинал – увеличенный, поддающий воспроизведению рисунок отдельной детали фотошаблона, обычно одной или нескольких топологий структур изделия, предназначенной для изготовле- ния фотошаблона методом последовательного уменьшения и мультипликации; Промежуточный оригинал – фотошаблон с рисунком оригина- ла после его фотографического промежуточного уменьшения в один или несколько приёмов, с размножением изображения или без него; Фотошаблон – плоско - параллельная пластина из прозрачно- го материала для фотолитографических целей с рисунком, сос- тоящим из непрозрачных и прозрачных для света определенной длины волны участков, образующих топологию одного из слоёв структуры прибора, многократно повторённого в пределах ак- тивного поля структуры;

Фотошаблоны. Основные термины Фотошаблоны. Основные термины Маска – плоская пластина или плёнка, содержащая рисунок в виде сквозных окошек и предназначенная для локального экспонирования; Металлизированный фотошаблон – фотошаблон, экспони- рующий рисунок которого представляет собой тонкую ме- таллическую плёнку, нанесенную на стеклянную подложку; Эталонный фотошаблон – первый фотошаблон в процессе изготовления структур, с которого обычно получают рабо- чие или первичные копии фотошаблонов; Рабочий фотошаблон – фотошаблон, применяемый в фо- толитографическом процессе при изготовлении полупровод- никовых структур контактной или проекционной печатью на полупроводниковыех пластинах, покрытых слоем фоторе- зиста; Фигура совмещения – специальный топологический рисунок в виде штриха, щели, креста и т.д. для облегчения юстиров- ки рабочего фотошаблона при его совмещении с рисунком на полупроводниковой пластине.

Генерация изображения методом микрофотонабора Генерация изображения методом микрофотонабора

Схема генератора изображения Схема генератора изображения

Работа генератора изображения Работа генератора изображения Пучок света от источника направлен сверху вниз. Установка работает с остановками стола в задан- ном положении во время экспонирования. Элементар- ные прямоугольники формируются блоком шторок, состоящим из неподвижной и подвижной шторок. Их взаимное расположение определяет размеры элемен- тарного прямоугольника. Координатный стол обеспе- чивает точное перемещение пластины с фоторезис- том по координатам X и Y. Генератор изображения может формировать до 300 тыс. экспозиций в час. Для ИС с более чем 1 млн. элементов формирование 1 стекла фотошаблона займет несколько десятков часов.

Маршруты изготовления фотошаблонов Маршруты изготовления фотошаблонов Маршрут изготовления фотошаблонов выбирают ис- ходя из степени сложности ИС. Чем короче маршрут ге- нерации и переноса изображения, тем меньше вносимых дефектов. Для ИС малой и средней степени интеграции выбира ют маршрут: 1–3–5–7–9–10–11–12–13. Это обеспечива- ет высокую производительность и низкие затраты за счёт невысокой точности и высокого уровня дефект- ности. Для ИС высокой степени интеграции требования к точности существенно возрастают. Это определяет маршрут: 1–3–4–7–8–12–13. Здесь низка производитель- ность и высоки затраты. В случае СБИС выбирают маршрут, обеспечивающий максимальную точность и минимальный уровень де- фектности не смотря на низкую производительность и очень высокие затраты: 1 – 3 – 5 – 6 – 13.

Разновидности фотошаблонов Разновидности фотошаблонов По технологии изготовления фотошаблоны де- лятся на: - металлизированные – в качестве непрозрачных участков используются пленки металла (как пра- вило, используют плёнки хрома, нанесенные ионным распылением из-за их хорошей адгезии к стеклу и высокой износостойкости); - эмульсионные – используются плёнки органи- ческих эмульсий; - транспарентные (полупрозрачные) – непрозрач- ные участки обладают селективной светонепрони- цаемостью, т.е. прозрачны для глаза оператора при λ>0,55 мкм и непрозрачны для УФ при λ=0,35 – 0,45 мкм (CdSe, Fe2O3, SiO2)

Фигуры совмещения Фигуры совмещения

Фоторезисты Фоторезисты Фоторезисты – светочувствительные по- лимерные композиции, в которых под дейст- вием света протекают необратимые хими- ческие реакции, приводящие к изменению их физических и химических свойств. Внешним проявлением действия света на фоторезис- ты – изменение характера их растворимос- ти. В негативных фоторезистах (ФН) раство- римость экспонированного участка уменьша- ется, а в позитивных фоторезистах (ФП) – возрастает.

Характеристики экспонирования резистов Характеристики экспонирования резистов

Кинетика фотохимических реакций Кинетика фотохимических реакций Особенностью фотохимических реакций явля- ется то, что фотон действует селективно, возбуждая одну молекулу и не затрагивая ос- тальные. Кинетика: - поглощение фотона молекулой; - переход молекулы в возбуждённое состоя- ние; - первичные фотохимические процессы с учас- тием активных молекул; - вторичные «темновые» процессы между мо- лекулами или комплексами, образующимися в результате первичных процессов.

Реакции, протекающие в резистах Реакции, протекающие в резистах 1. Фотолиз – возбуждение молекулы и её распад под действием света: 2. Фотоперегруппировка – перестановка атомов или радикалов в главной цепи молекулы под действием света:

Реакции, протекающие в резистах Реакции, протекающие в резистах 3. Фотоприсоединение – присоединение активиро- ванной молекулой другой молекулы или молекул. 4. Фотосенсибилизация – передача электронной энергии возбуждения от одной молекулы (или ее части) к другой молекуле (или ее части).

Требования к фоторезистам Требования к фоторезистам 1. Высокая светочувствительность в требуемом диапазо-не длин волн. 2. Высокая разрешающая способность (на современном уровне производства CБИС – до 5000 – 10000 линий/мм при толщине слоя фоторезиста до 0,1 мкм). 3. Высокая адгезия к подложке (полупроводнику, оксиду, ни- триду или металлу, другим функциональным слоям). 4. Высокая контрастность (получение резко дифференци- рованой границы между экспонированными и неэкспонирован- ными участками). 5. Высокая устойчивость в химически агрессивных средах. 6. Однородность свойств по всей поверхности слоя. 7. Стабильность свойств во времени. 8. Отсутствие загрязнений продуктами химических пре- вращений. 9. Доступность материалов, относительная простота, надежность и безопасность применения, возможность раз- личных способов нанесения и др.

Схема технологического процесса фотолитографии Схема технологического процесса фотолитографии

Обработка пластин Обработка пластин Обработка подложек производится с целью: 1. Очистки подложек от загрязнений; 2. Повышения адгезии фоторезиста. В технологии ИИЭ фотолитографии под- вергают технологические слои кремния, ди- оксида кремния, нитрида кремния, алюми- ния, фосфоросиликатного стекла.

Удаление поверхностных загрязнений Удаление поверхностных загрязнений Поверхностные загрязнения удаляют: - механическим способом с помощью кис- тей и щёток под струёй воды (ГМО) ; - ультразвуковой отмывкой; - потоком жидкости и газа; - растворением в органических раствори- телях; - обработкой в растворах ПАВ; - обработкой в неорганических кислотах.

Обработка поверхности слоёв Обработка поверхности слоёв кремния SiO2 и Si3N4 Данные слои не обладают высокой химической ак- тивностью. Как правило их обрабатывают в ПАР, на- гретом до температуры 60 – 80 °С. Часто в ПАР добавляют триаммонийную соль окси- этилидендифосфоновой кислоты (ТАСОЭДФ) для ста- билизации перекиси водорода и смачивания поверхнос- ти. Иногда в состав ПАР вводят хлористый аммоний для улучшения сорбционной способности по отноше- нию к тяжёлым металлам, а также комплексообра- зователи для щелочных металлов. В МОП - технологии перед обработкой диффузион- ных слоёв в ПАР, как правило, проводят обработку в смеси КАРО с целью уменьшения плотности заряда в окисле.

Обработка поверхности металла Обработка поверхности металла В технологии ИС для металлизированной разводки, как правило, используют алюминий и его сплавы с кремнием (до 5 %), которые обладают высокой хими- ческой активностью. Поверхность алюминия обрабатывают в органичес- ких растворителях (диметилформамиде (ДМФ), изо- пропиловом спирте). Для удаления механических за- грязнений используют также ДМФ в сочетании с уль- тразвуковой обработкой. Также для очистки алюминиевой поверхности ис- пользуют обработку в очищающем растворе, состоя- щем из перекиси водорода (200 мл), воды (800 мл), сма- чивателя (0,2 г/л), ТАСОЭДФ (4 г/л), при температуре 60 – 70 °С в течение 10 – 12 мин.

Обработка поверхности Обработка поверхности фосфоросиликатного стекла ФСС также обладает высокой химической активностью, особенно к щелочным средам. Скорость травления ФСС в ПАР при темпе- ратуре 75 °С составляет 0,1 – 0,3 мкм/мин. Поэтому поверхность слоёв ФСС обрабаты- вают на установках ГМО или в смесях КАРО при температуре 120 – 170 °С в течение 1 – 5 минут с последующей промывкой в деионизо- ванной воде.

Адгезия для фотолитографических процессов Адгезия для фотолитографических процессов Адгезия – способность фоторезиста препят- ствовать проникновению травителя к подлож- ке по периметру создаваемого рельефа рисунка элементов. Критерием адгезии является время, отрыва слоя фоторезиста заданных размеров от под- ложки в ламинарном потоке травителя. Адге- зию считают хорошей, если слой фоторезиста 20 × 20 мкм отрывается за 20 мин. Для обеспечения адгезии необходимо чтобы поверхность подложки была гидрофильна по отношению к фоторезисту и гидрофобна к тра- вителю.

Обработка, повышающая адгезию фоторезиста Обработка, повышающая адгезию фоторезиста Сразу после термического окисления плёнка SiO2 гид- рофобна. Через некоторое время на ней адсорбиру- ются молекулы воды из атмосферы и она становит- ся гидрофильной. Образовавшаяся плёнка воды пре- пятствует адгезии фоторезиста к поверхности слоя SiO2 . Для улучшения адгезии подложки перед нанесением фоторезиста отжигают при температуре 700 – 800 °С в сухом инертном газе. Подложки с плёнками ФСС обрабатывают при температуре 100 – 500 °С в су- хом инертном газе в течение 1 часа. Для удаления влаги с поверхности применяют так- же обработку в гексаметилдесилазане (ГМДС).

Нанесение фоторезиста Нанесение фоторезиста Операция представляет собой процесс создания на поверхности подложки однородного слоя толщиной 1 – 3 мкм. Наибольшее распространение в промышленности получил способ нанесения фоторезиста центрифуги- рованием. При включении центрифуги фоторезист растекается по поверхности подложки под действи- ем центробежной силы. Слой фоторезиста толщи- ной h на границе с подложкой формируется за счет уравновешивания этой силы и силы сопротивления, зависящей от когезии молекул фоторезиста: где А- коэффициент пропорциональности, ν – вяз- кость, ω - частота вращения.

Сушка фоторезиста Сушка фоторезиста Способствует окончательному формированию струк- туры слоя фоторезиста. В процессе сушки из фоторе- зиста удаляется растворитель и происходят сложные релаксационные процессы, уплотняющие молекулярную структуру слоя, уменьшающие внутренние напряжения и повышающие его адгезию к подложке. Основными режимами сушки являются: - температура сушки (90 – 120 °С); - время сушки (10 – 30 мин.); - скорость подъёма и спада температуры. По способу подвода тепла различают 3 вида сушки: - конвективная сушка (в термостате); - ИК – сушка; - СВЧ – сушка.

Методы совмещения и экспонирования Методы совмещения и экспонирования

Контактная фотолитография схема совмещения Контактная фотолитография схема совмещения

Контактная фотолитография схема экспонирования Контактная фотолитография схема экспонирования

Фотолитография на микрозазоре Фотолитография на микрозазоре

Схема проекционного экспонирования со сканированием Схема проекционного экспонирования со сканированием

Проекционная фотолитография без изменения масштаба Проекционная фотолитография без изменения масштаба

Схема пошаговой мультипликации с уменьшением масштаба Схема пошаговой мультипликации с уменьшением масштаба

Проявление фоторезиста Проявление фоторезиста

Задубливание Задубливание Проводят при более высокой температуре, чем сушка. Задубливание обеспечивает: - повышение стойкости маски ФР к действию травителей; - повышает адгезию маски ФР к подложке. При задубливании в результате воздействия температуры происходит окончательная поли- меризация фоторезиста, а также затягивание (залечивание) мелких пор, отверстий и несквоз- ных дефектов.

Пути повышения разрешающей способности фотолитографии Пути повышения разрешающей способности фотолитографии Минимальные размеры элементов современных ИИЭ составляют 32 – 65 нм. При этом основным методом формирования то- пологического рисунка на данном этапе остаётся проекционная фотолитография путем пошаговой мультипликации .

Эволюция источников УФ излучения Эволюция источников УФ излучения

Фотолитография с фазосдвигающей маской Фотолитография с фазосдвигающей маской

Схема иммерсионной фотолитографии Схема иммерсионной фотолитографии

Схема фотолитографии на сверхжёстком УФ Схема фотолитографии на сверхжёстком УФ