עקרונות הייצור של שכבות דקות, ליתוגרפיה, מטרולוגיה ובחינה לייצור חיבורי ביניים עבור תעשיית המוליכים למחצה פרופ ’ יוסי שחם המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית, אונ ’ ת ” א. טכנולוגיות ייצור חיבורי ביניים Interconnect manufacturing technologies

נושאים n מבוא n ליתוגרפיה n איכול n שיקוע שכבות דקות n מטרולוגיה n בחינה

מבוא חדרים נקיים.

How Big of a Particle is Tolerable? – Example: 0.5  m CMOS technology Lateral Features: – pattern size = 0.5  m – pattern tolerance = 0.15  m – level-level registration = 0.15  m Vertical Features: – gate oxide thickness = 10 nm – field oxide thickness = 20 nm – film thickness = nm – junction depths = nm

Clean Room Air Filters High Efficiency Particulate Air (HEPA) Filters – most common type of clean room air filter – high efficiency, low pressure drop, good loading characteristics – uses glass fibers in a paper-like medium – are rated by their particle retention: A true HEPA-rated filter will retain % of incident particles of 0.3  m or larger. (DEFINITION)

HEPA Filter Construction

Clean Room Class Ratings

Types of Cleanrooms - 4

Characteristics of Clean Rooms – Air is recirculated through HEPA filters with about 20 % make up. Vapors are entrained, so contamination potential is very high Extensive gas detection and alarm systems are installed – Temperature is controlled to °F. – Humidity is controlled to % RH. – Room is held at positive pressure Typically 0.1 in of H 2 O for Class 100, 1000, and 10,000 Typically in of H 2 O for Class 1 and Class 10 Positive pressure constantly blows dust OUT (Biohazard rooms operate at negative pressure to keep bugs in) Doors open inward, so room pressure closes them shut 0.1 in H 2 O = 3.6 x psi = 0.52 lb/ft 2 This produces 9.1 lbs. force on a 7’ x 30” door

בחדרים נקיים יש לבוד מיוחד כללי התנהגות מיוחדים רוב החדר הנקי הנו לציוד ייצור חיבורי ביניים כי שי הרבה שכבות מתכת הפרוסות בשלב חיבורי הביניים נמצאות במצב המתקרב לעלות מכסימלית ולכן כל כשלון כואב יותר.

פוטוליתוגרפיה עקרונות הפעולה, המטרולוגיה, והבקרה של תהליכי הפוטוליתוגרפיה עבור ייצור חיבורי ביניים עבור מעגלים משולבים.

תוכן n עקרונות בסיסים n פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד n טכניקות מדידה - מה מודדים ואיך n עקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה n נושאים חדשים בליתוגרפיה עבור ULSI

עקרונות בסיסים n תאור הדמות ( Aerial Image) n תהליך החשיפה n תהליך הפיתוח n בקרת רוחב קו, בקרת ממד קריטי

מהי איכות הליתוגרפיה ? n איכות הפוטורזיסט לאחר החשיפה u בקרת רוחב קו, פרופיל הרזיסט, רזולוציה, חלון התהליך n רגיסטרציה n תאימות לתהליך u התגדות לאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימות כימית, היכולת להורדה n ייצוריות u מחיר, בטיחות, פגמים, יציבות, זמן חיי מדף.

ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע מסכה דמות אופטית דמות סמויה בחומר הצילום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב תכנון

מערכת החשיפה n מאירים את המסכה מצידה האחורי n האור עובר דרך המסכה ומתאבך n תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה לעדשה n העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך ויוצרת דמות משוחזרת במישור המוקד n יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי של העדשה

יצירת הדמות - דוגמה  n חוק בראג : מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם מרחק מחזור P הארה קוהרנטית

העדשה מישור המוקד עדשה בקוטר D ומרחק f מהמסכה מסכה

מה קובע את הרזולוציה ? הרזולוציה יחסית לאורך הגל, n הרזולוציה משתפרת ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע.

קונטרסט הדמות 0 1Intensity, I I max I min

מגבלות הקונטרסט האופטי n מייצג רק מסכה עם פסים ורווחים שווים n לא שימושי לצורות גדולות n רגיש יותר ל-I min מאשר הרזיסט עצמו n בעל קורלאציה נמוכה לאיכות הליתוגרפיה

הגדרת איכות הדמות n Image Log-Slope (ILS) ILS מוגדר כשיפוע הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות.

הגדרת איכות הדמות (2) n Normalized Image Log-Slope (NILS) NILS מוגדר כשיפוע המנורמל של הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות. W הנו רוחב הקו הנומינלי.

במה תלויה איכות הדמות? n הפרמטר המקובל הנו ה- NILS n הוא תלוי במרחק בין משטח המוקד האידיאלי למשטח הדמות האמיתית (הפרוסה). גודל זה קרוי ההסחה מהמוקד או ה- Defocus. NILS Defocus [  m] =365 nm  =0.45, NA=0.5 p=1  m (L=S)

חלון התהליך של החשיפה n מרווח החשיפה - Process latitude n השינויים בעוצמת החשיפה גורמים לשינויים ברוחב הקו.

אפיון מרווח החשיפה n בדרך כלל הוא תלוי ב- NILS באופן ליניארי n NILS ניתן לחישוב בעזרת תכניות סימולציה n EL מדוד על פרוסה או מתוך סימולציה.

הגדרות n רזולוציה u הדמות הקטנה ביותר שתיתן ערך נתון של ILS, הגדול או שווה מערך נתון של ILS,עבור תחום הגדרת מוקד מסוים. n עומק מוקד u תחום הסטייה ממשטח המוקד האידיאלי, שיתן ILS הגדול או שווה מערך נתון של ILS, עבור דמות נתונה. ניתן להגדיר באופן דומה ביחס למרווח חשיפה (EL) נתון

אפיון מכשיר החשיפה - ה- Stepper נתוני בחירה - NA, דרגת הקוהרנטיות , אורך הגל. n תאור המסכה - רוחב הקו, המחזור. n כמות הסטייה האפשרית מהמוקד המצטברת בתהליך החשיפה n הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

התמונה הסמויה n הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט n החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: u PAC - Photo Active Compound n ריכוז הPAC מסומן כ - m - וזו התמונה הסמויה n מכפלת עוצמת ההארה (I) בזמן ההארה נותנת את אנרגיית החשיפה. n m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

הקינטיקה של ריאקצית החשיפה n m - ריכוז ה- PAC n I - עוצמת האור n t - זמן ההארה n C - קבוע הקצב של החשיפה

בליעת האור בחומר הצילום n חומר הצילום בולע אור n הבליעה יחסית לריכוז ה- PAC

מאפייני הדמות הסמויה גרדיאנט הדמות הסמויה (LIG) דוגמה : פוטורזיסט עם בליעה קבועה (I לא תלוי זמן ) שיפוע התמונה הסמויה מכסימלי עבור m=0.37 כאשר יש בליעה מקבלים ששיפוע התמונה הסמוי מכסימלי עבור 0.2 < m < 0.5

הקונטרסט של הפוטורזיסט E, אנרגית החשיפה [mJ/cm 2 ] שיפוע -  E 0 - אנרגית הסף להורדת הרזיסט עובי רזיסט מנורמל

הקונטרסט של הפוטורזיסט R = קצב הפיתוח ( בננומטר לשניה ) E = אנרגית החשיפה [mJ/cm 2 ]

פיתוח n פיתוח רטוב - הרזיסט מתאכל במפתח בסיסי n קצב הפיתוח עולה כשריכוז ה- PAC יורד. חשיפ ה

סיכום ביניים תהליך פונקציה מאפיינת n יצירת תמונהILS, NILS n חשיפהגרדיאנט הדמות הסמויה n פיתוחגרדיאנט קצב הפיתוח n סה”כ התהליךמרווח החשיפה - Exposure latitude

אופטימיזציה של הליתוגרפיה n ILS הנו מדד טוב שכן הוא יחסי ל- EL n ILS תלוי בסטייה מהמוקד (Defocus) n הפרמטרים של הפיתוח והדמות הסמויה תלויים ברזיסט, במפתח, ובתהליכים הקשורים בהם. n האופטימום לחשיה יכול להימצא באופן ניסויי ע”י הרצת מטריצת חשיפה כנגד פיתוח עבור דמות ממוקדת היטב.

אופטימיזציה של הליתוגרפיה n הקונטרסט של הרזיסט תלוי במטריצת החשיפה והפיתוח. n פיתוח הרזיסט הנו תהליך דו ממדי n הקונטרסט של הרזיסט יכול להמדד במכשור מיוחד (שכנראה לא קיים בשוק יותר…)

בקרת רוחב הקו n מה קובע את יכולת בקרת התהליך ? u השגיאות האקראיות בתהליך הייצור u תגובת התהליך לשגיאות הללו

הגדרת מרווח החשיפה n מרווח החשיפה = CD +10% CD CD-10% Nominal linewidth E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%) אנרגית החשיפה רוחב הקו

השפעת המצע n המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבנית גלים עומדים ללא החזרותעם החזרות

ליתוגרפיה על מתכת n ההחזרה מהצד של הרזיסט ~100% n יש בעיית גלים עומדים n השדה החשמלי ועוצמת ההארה נמוכים מאוד במשטח בין המתכת לרזיסט\בעית רזיסט לא מפותח בתחתית הרזיסט - SCUM

גלים עומדים בפוטרורזיסט תנאי שפה על מתכת - שדה = 0 מניעה : חשיפה בכמה ארכי גל - לא רלבנטי חימום הרזיסט לאחר החשיפה שימוש ב שכבה אל - מחזירה - טיטניום ניטריד על אלומיניום

פתרון לבעיית הגלים העומדים n הכנסת שכבה לא מחזירה u ARC - Anti Reflective Coating u דוגמה: F הוספת שכבת טיטניום-ניטריד (TiN ) מעל שכבת אלומיניום. n הוספת צבע בולע לרזיסט (פתרון מוגבל)

דרישות מהפוטורזיסט רוחב קו - נומינלי 10%  זווית צד > °80÷÷÷ ÷÷ n אובדן רזיסט < 10%

מציאת עומק מוקד אידאלי E עולה רוחב קו מיקום המוקד CD

עומק מוקד n עומק המוקד ( DOF ) - תחום המוקד שנותן את פרופיל הרזיסט לפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון.

דוגמה: השגיאה במרחק המוקד n חימום העדשה0.10 מיקרון n השפעת הסביבה0.20 מיקרון n הטית המסכה 0.05 מיקרון n מישוריות המסכה0.12 מיקרון n מישוריות הפרוסה0.30 מיקרון n מישוריות המכשור0.14 מיקרון n הדירות המכשיר0.20 מיקרון n השגיאה בקביעת DOF0.30 מיקרון n רעידות0.10 מיקרון n סה”כ0.60 מיקרון שגיאות אקראיות

שגיאת המוקד הבנויה במערכת ( BIFE ) n שגיאות אקראיות0.6 מיקרון n טופוגרפיה0.5 מיקרון n עקמומיות שדה ואסטיגמטיזם0.4 מיקרון n עובי הרזיסט0.1 מיקרון n סה”כ השגיאה ( BIFE )1.6 מיקרון

קביעת חלון התהליך אנרגית החשיפה אנרגית החשיפה הנומינלית מיקום המוקד 0 תחום ה - CD תחום אבדן רזיסט < 10% תחום זוות צד > 80 חלון התהליך

שיטות לשיפור חלון התהליך n חשיפה במספר מרחקי מוקד המוקד למעלה המוקד למטה פוטורזיסט

הוספת חומר מגדיל קונטרסט n CEL - Contrast Enhanced Lithography ה CEM נעשה שקוף באזור המואר

הנדסת חזית הגל n בקרת העוצמה והפאזה של גל האור u עיצוב המסכה - הוספת אלמנטים הקטנים מגבול הרזולוציה. u OPC - Optical Phase Correction u הוספת אלמנטים מסיחי פאזה u PSM - Phase Shifting Masks u הארה מיוחדת - בזווית u מסננים במישור הצמצם

תיקון פאזה אופטי ( OPC ) מסכה רגילה מסכה עם OPC תיקון פינה Serif הסחת פינה פנימה -Pullback

הסחת פאזה על המסכה n ע”י הוספת שכבות דקות דיאלקטריות שקופות שכבה מסיחת פאזה - Shifter n - מקדם השבירה של השכבה הדיאלקטרית d - עובי השכבה הדיאלקטרית

הסחת הפאזה - משפרת את הקונטרסט האופטי E, mask E, Wafer I=|E| 2 הסחת פאזה של °180 E - השדה החשמלי, I - עוצמת ההארה

סוגי PSM מסכות בליעה רגילות עם תיקונים ע”י הסחה ב- °180 מסכות ללא בליעה עם העברה בהסחות של °0 ו- °180. מסכות עם בליעה חלשה והסחת פאזה (Leaky chrome ) מסכות עם מספר הסחות פאזה מסכות הולוגרמיות

הארה לא מקבילה n קרוי גם OFF-AXIS n יותר תדרים מרחביים “נכנסים” לעדשה. הארה בזווית

שילוב OAI ו- PSM n OAI ו- PSMמשפרת את חלון התהליך ומקטינה תלות בטופולוגיה של המעגל n משפר חורים וקווים n ניתן לשילוב עם מספר סוגי PSM

אפיון הליתוגרפיה n מדידות רוחב קו u מדידות אופטיות u מדידות בעזרת SEM-CD n מדידות צורת הקו u מדידות בעזרת SEM ו- FIB n מדידות פרמטרי הרזיסט - A,B,C n מדידות פרמטרי החשיפה

בקרת תהליך הליתוגרפיה n בקרת החשיפה u אנרגית החשיפה u מיקום יחסית למוקד n בקרת הפוטורזיסט u בקרה לפני החשיפה - Pre-exposure u בקרה אחרי החשיפה - Post-exposure n בקרת הפיתוח u טמפרטורה, זמן, ריכוזים

תהליכי ליתוגרפיה n תהליכי איכול u איכול כימי רטוב u איכול יבש בפלזמה n השתלת יונים n תהליכי ניקוי u הסרת הפוטורזיסט F ניקוי רטוב - בממסים אורגנים או מאכלים F ניקוי יבש - בפלזמה של חמצן - ASHING

ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים n כתיבה ישירה בקרן אלקטרונים n SCALPEL - Scattering with Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography

ליתוגרפיה בקרני-X n חשיפה ישירה דרך מסכת בליעה XRAY רזיסט שכבה דקה מצע High Z Low Z

איכול - העתקת הדמות רזיסט שכבה I שכבה II איכול אנאיזוטרופי

סיכום n פוטוליתוגרפיה - תהליך העתקת המידע לפרוסה n לתהליך טיפוסי יותר מ 14 מסכות. n התהליך מוגבל דיפרקציה n השימוש בחומר צילום לא-ליניארי הבולע אור משפר את הרזולוציה n תהליך הליתוגרפיה הנו קריטי להצלחת תהליך הגדרת החורים למגעים וקווי המתכת לחיבורי הביניים

איכול עקרונות איכול מתכות ומבודדים עבור ייצור חיבורי ביניים עבור מעגלים משולבים.