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

מבואליתוגרפיהאיכולשיקוע שכבות דקותמטרולוגיהבחינה

מבואחדרים 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 = 250-500 nm– junction depths = 50-150 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 99.97 % of

incident particles of 0.3 m or larger. (DEFINITION)

HEPA Filter Construction

Clean Room Class Ratings

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 68 - 72 °F.– Humidity is controlled to 40 - 46 % RH.– Room is held at positive pressure• Typically 0.1 in of H2O for Class 100, 1000, and 10,000• Typically 0.3 - 0.4 in of H2O 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 H2O = 3.6 x 10 -3 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.

פוטוליתוגרפיהעקרונות הפעולה, המטרולוגיה,

והבקרה של תהליכי הפוטוליתוגרפיה עבור ייצור חיבורי

ביניים עבור מעגלים משולבים

.

תוכןעקרונות בסיסים ,פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד

חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועודטכניקות מדידה - מה מודדים ואיךעקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה נושאים חדשים בליתוגרפיה עבור

ULSI

עקרונות בסיסים

( תאור הדמותAerial Image)תהליך החשיפהתהליך הפיתוחבקרת רוחב קו , בקרת ממד קריטי

מהי איכות הליתוגרפיה ?

איכות הפוטורזיסט לאחר החשיפה בקרת רוחב קו, פרופיל הרזיסט, רזולוציה, חלון

התהליךרגיסטרציהתאימות לתהליך

התגדות לאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימותכימית, היכולת להורדה

ייצוריות.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 החשיפהמאירים את המסכה מצידה האחוריהאור עובר דרך המסכה ומתאבך תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה

לעדשה העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך

ויוצרת דמות משוחזרת במישור המוקד יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי

של העדשה

יצירת הדמות - דוגמה

n

n)sin(θ p n

חוק בראג:

מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם

Pמרחק מחזור

הארה קוהרנטית

העדשהמישור המוקד

Dעדשה בקוטר מהמסכה f ומרחק

מסכה

fD

nNA2

)sin(

מה קובע את הרזולוציה ?

,הרזולוציה יחסית לאורך הגל -הרזולוציה משתפרת ככל שה

NA עולה - העדשה אוספת יותרמידע.

NAksolution

1Re

קונטרסט הדמות

0

1Intensity, IImax

Imin

minmax

minmax

III-I

contrast Image

מגבלות הקונטרסט האופטי

מייצג רק מסכה עם פסים ורווחיםשווים

לא שימושי לצורות גדולות-רגיש יותר לImin מאשר הרזיסט עצמו בעל קורלאציה נמוכה לאיכות

הליתוגרפיה

הגדרת איכות הדמות

Image Log-Slope )ILS(

xI

I

1

xln(I)

ILS מוגדר כשיפוע הדמות, בסקלהלוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות.

הגדרת איכות הדמות (2)

Normalized Image Log-Slope )NILS(

wx

II

x1

wx

ln(I)w

I

INILS

NILS מוגדר כשיפוע המנורמל שלהדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה

הנומינלי של הדמות.

W .הנו רוחב הקו הנומינלי

במה תלויה איכות הדמות?

-הפרמטר המקובל הנו הNILS הוא תלוי במרחק בין משטח המוקד

האידיאלי למשטח הדמות האמיתית )הפרוסה(. גודל זה קרוי ההסחה

.Defocusמהמוקד או ה- NILS

Defocus [m]

0 0.5 1.0 1.5

6

3

0

=365 nm=0.45, NA=0.5p=1 m (L=S)

חלון התהליך של החשיפה

- מרווח החשיפהProcess latitude השינויים בעוצמת החשיפה גורמים

לשינויים ברוחב הקו.

CDE

E

CDE

xI

)ln()ln(

[%] Δlinewidth[%] LattitudeExposure)ln(

wCDEE

xI

w

אפיון מרווח החשיפה

-בדרך כלל הוא תלוי בNILS באופן ליניאריNILS ניתן לחישוב בעזרת תכניות

סימולציהEL .מדוד על פרוסה או מתוך סימולציה

bNILS a EL[%]

הגדרותרזולוציה

הדמות הקטנה ביותר שתיתן ערך נתוןהגדול או שווה מערך נתון של , ILSשל ILS, .עבור תחום הגדרת מוקד מסוים

עומק מוקד תחום הסטייה ממשטח המוקד

הגדול או שווה ILSהאידיאלי, שיתן עבור דמות נתונה., ILSמערך נתון של

( ELניתן להגדיר באופן דומה ביחס למרווח חשיפה )נתון

אפיון מכשיר החשיפה - ה-

Stepper - נתוני בחירהNA , דרגת הקוהרנטיות

, אורך הגל..תאור המסכה - רוחב הקו, המחזור כמות הסטייה האפשרית מהמוקד

המצטברת בתהליך החשיפה הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר

תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

התמונה הסמויה הדמות האופטית פועלת על שכבה

דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט:החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה

PAC - Photo Active Compoundריכוז הPAC - מסומן כm - וזו התמונה

הסמויה( מכפלת עוצמת ההארהI ) בזמן

ההארה נותנת את אנרגיית החשיפה. m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

הקינטיקה של ריאקצית החשיפה

m - -ריכוז הPACI - עוצמת האור t זמן ההארה -C - קבוע הקצב של החשיפה

ImCt

M

בליעת האור בחומר הצילום

חומר הצילום בולע אור -הבליעה יחסית לריכוז הPAC

IBAmxI

)(

מאפייני הדמות הסמויה

xm

)LIGגרדיאנט הדמות הסמויה (

CItetmלא תלוי זמן) I פוטורזיסט עם בליעה קבועה (דוגמה: )(

ILS [ln(m)] mdxdI

]I

ln(m)[ m

dxdI

(-Ct) mdxdm

m=0.37 שיפוע התמונה הסמויה מכסימלי עבור •

כאשר יש בליעה מקבלים ששיפוע התמונה הסמוי מכסימלי •m < 0.5 > 0.2עבור

הקונטרסט של הפוטורזיסט

1 10 100 1000E אנרגית החשיפה ,]mJ/cm2[

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

שיפוע -

E0 - אנרגית הסףלהורדת הרזיסט

עובי רזיסט מנורמל

הקונטרסט של הפוטורזיסט

maxln(E) dln(R) d

γ

R = (בננומטר לשניה ) קצב הפיתוח

E = ] אנרגית החשיפהmJ/cm2[

פיתוח

פיתוח רטוב - הרזיסט מתאכל במפתחבסיסי

-קצב הפיתוח עולה כשריכוז הPAC יורד.

חשיפה

סיכום ביניים

פונקציה מאפיינתתהליך יצירת תמונהILS, NILSגרדיאנט הדמות הסמויהחשיפהגרדיאנט קצב הפיתוחפיתוחמרווח החשיפה - סה”כ התהליך

Exposure latitude

אופטימיזציה של הליתוגרפיה

ILS -הנו מדד טוב שכן הוא יחסי לELILS( תלוי בסטייה מהמוקד Defocus) הפרמטרים של הפיתוח והדמות

הסמויה תלויים ברזיסט, במפתח, ובתהליכים הקשורים בהם.

האופטימום לחשיה יכול להימצאבאופן ניסויי ע”י הרצת מטריצת חשיפה כנגד פיתוח עבור דמות

ממוקדת היטב.

אופטימיזציה של הליתוגרפיה

הקונטרסט של הרזיסט תלוי במטריצתהחשיפה והפיתוח.

פיתוח הרזיסט הנו תהליך דו ממדי הקונטרסט של הרזיסט יכול להמדד

במכשור מיוחד )שכנראה לא קיים בשוק יותר…(

בקרת רוחב הקו

? מה קובע את יכולת בקרת התהליךהשגיאות האקראיות בתהליך הייצורתגובת התהליך לשגיאות הללו

הגדרת מרווח החשיפה = %100מרווח החשיפה

min

alnoEE

10%) E(CD- 10%)- E(CDΔE

CD +10%

CD

CD-10%

Nominal linewidth

E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%)

אנרגית החשיפה

רוחב הקו

השפעת המצע המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבנית

גלים עומדים

ללא החזרות עם החזרות

ליתוגרפיה על מתכת

~ 100%ההחזרה מהצד של הרזיסטיש בעיית גלים עומדים השדה החשמלי ועוצמת ההארה נמוכים מאוד

במשטח בין המתכת לרזיסט\בעית רזיסט לא SCUMמפותח בתחתית הרזיסט -

גלים עומדים בפוטרורזיסט

0תנאי שפה על מתכת - שדה=•

מניעה: חשיפה בכמה ארכי גל - לא רלבנטי•

חימום הרזיסט לאחר החשיפה•

שימוש ב שכבה אל-מחזירה - טיטניום ניטריד על •אלומיניום

פתרון לבעיית הגלים העומדים

הכנסת שכבה לא מחזירהARC - Anti Reflective Coating:דוגמה

( הוספת שכבת טיטניום-ניטרידTiN ) מעל שכבת אלומיניום.

הוספת צבע בולע לרזיסט )פתרוןמוגבל(

דרישות מהפוטורזיסט

10%רוחב קו - נומינלי > °80זווית צד÷÷ ÷÷÷ < 10%אובדן רזיסט

מציאת עומק מוקד אידאלי

E עולה

רוחב קו

מיקום המוקד

CD

עומק מוקד

( עומק המוקדDOF - ) תחום המוקדשנותן את פרופיל הרזיסט לפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד

בדרישות של מרווח חשיפה נתון.

22NA

kDOF

דוגמה: השגיאה במרחק המוקד

מיקרון0.10חימום העדשה מיקרון0.20השפעת הסביבה מיקרון0.05 הטית המסכה מיקרון0.12מישוריות המסכה מיקרון0.30מישוריות הפרוסה מיקרון0.14מישוריות המכשור מיקרון0.20הדירות המכשיר השגיאה בקביעתDOF0.30מיקרון מיקרון0.10רעידות מיקרון0.60סה”כ

שגיאות אקראיות

שגיאת המוקד הבנויה (BIFEבמערכת )

מיקרון0.6שגיאות אקראיות מיקרון0.5טופוגרפיה מיקרון0.4עקמומיות שדה ואסטיגמטיזם מיקרון0.1עובי הרזיסט ) סה”כ השגיאהBIFE( 1.6מיקרון

קביעת חלון התהליךאנרגית

החשיפה

אנרגית החשיפה הנומינלית

מיקום המוקד

0

תחום ה- CD

10%תחום אבדן רזיסט >

תחום זוות 80צד >

חלון התהליך

שיטות לשיפור חלון התהליך

חשיפה במספר מרחקי מוקד

המוקד למעלה

המוקד למטה

פוטורזיסט

פוטורזיסט

הוספת חומר מגדיל קונטרסט

CEL - Contrast Enhanced Lithography

נעשה שקוף באזור המואר CEMה

הנדסת חזית הגל

בקרת העוצמה והפאזה של גל האור עיצוב המסכה - הוספת אלמנטים

הקטנים מגבול הרזולוציה. OPC - Optical Phase Correction

הוספת אלמנטים מסיחי פאזה PSM - Phase Shifting Masks

הארה מיוחדת - בזוויתמסננים במישור הצמצם

תיקון פאזה אופטי (OPC)

מסכה רגילה OPCמסכה עם

תיקון פינה Serif

הסחת פינה Pullbackפנימה -

הסחת פאזה על המסכה

ע”י הוספת שכבות דקות דיאלקטריות שקופות

Shifterשכבה מסיחת פאזה -

d1)-(n2Δφ

n - מקדם השבירה של השכבההדיאלקטרית

d - עובי השכבה הדיאלקטרית

הסחת הפאזה - משפרת את הקונטרסט האופטי

E, mask

E, Wafer

I=|E|2

°180הסחת פאזה של

E - ,השדה החשמליI - עוצמתההארה

PSMסוגי

מסכות בליעה רגילות עם תיקונים ע”י°180הסחה ב-

מסכות ללא בליעה עם העברה בהסחות.°180 ו- °0של

מסכות עם בליעה חלשה והסחת פאזה)Leaky chrome(

מסכות עם מספר הסחות פאזהמסכות הולוגרמיות

הארה לא מקבילה קרוי גםOFF-AXIS.יותר תדרים מרחביים “נכנסים” לעדשה

הארה בזווית

PSMו- OAIשילוב

OAI -וPSM משפרת את חלון התהליךומקטינה תלות בטופולוגיה של המעגל

משפר חורים וקווים ניתן לשילוב עם מספר סוגיPSM

אפיון הליתוגרפיה

מדידות רוחב קומדידות אופטיות מדידות בעזרתSEM-CD

מדידות צורת הקו מדידות בעזרתSEM -וFIB

- מדידות פרמטרי הרזיסטA,B,Cמדידות פרמטרי החשיפה

בקרת תהליך הליתוגרפיה בקרת החשיפה

אנרגית החשיפהמיקום יחסית למוקד

בקרת הפוטורזיסט - בקרה לפני החשיפהPre-exposure - בקרה אחרי החשיפהPost-exposure

בקרת הפיתוחטמפרטורה, זמן, ריכוזים

תהליכי ליתוגרפיה

תהליכי איכולאיכול כימי רטובאיכול יבש בפלזמה

השתלת יוניםתהליכי ניקוי

הסרת הפוטורזיסטניקוי רטוב - בממסים אורגנים או מאכלים - ניקוי יבש - בפלזמה של חמצןASHING

ליתוגרפיה בקרני אלקטרונים

כתיבה ישירה בקרן אלקטרוניםSCALPEL - Scattering with

Angular Limitation Projection Electron Beam Lithography

Xליתוגרפיה בקרני-

חשיפה ישירה דרך מסכת בליעה

XRAYרזיסט

שכבה דקה

מצע

High Z

Low Z

איכול - העתקת הדמות

רזיסט

Iשכבה

IIשכבה

איכול אנאיזוטרופי

סיכום פוטוליתוגרפיה - תהליך העתקת

המידע לפרוסה מסכות. 14לתהליך טיפוסי יותר מ התהליך מוגבל דיפרקציה השימוש בחומר צילום לא-ליניארי

הבולע אור משפר את הרזולוציה תהליך הליתוגרפיה הנו קריטי

להצלחת תהליך הגדרת החורים למגעים וקווי המתכת לחיבורי הביניים

איכולעקרונות איכול מתכות ומבודדים

עבור ייצור חיבורי ביניים עבור מעגלים משולבים

.