Litografie a leptání. Technologie výroby integrovaných systémů 2.část. Fotolitografie. Definice ultrafialové oblasti. Imerzní fotolitografie

Transkript

1 Litografie a leptání Technologie výroby integrovaných systémů 2.část Jak integrovat Součástek na 1 cm 2 Je jedním z rozhodujících faktorů, které ovlivňují hustotu integrace Druhy litografie: Fotolitografie Elektronová litografie Rentgenová litografie ptická fotolitografie Elektronová s přímou expozicí Suché leptání Rentgenová fotolitografie 5 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,2 0,01 mm Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Definice ultrafialové oblasti l (nm) Fotolitografie oxidace ptická maska Ultrafialová oblast Viditelné spektrum EUV VUV DUV Mid-UV Ultrafialové Modrá Zelená Žlutá ranžová Červená i h g Další technologický krok dstranění fotorezistu Mytí, sušení Nanášení fotorezistu Typické operace v jednom fotolitografickém cyklu expozice Vyvolání fotorezistu Leptání laser Mercury lamp Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Techniky pro zlepšení rozlišení Imerzní fotolitografie Zdroj 193 nm 180nm Návrh Maska 130nm C 90nm a pod SM C Technika pro zlepšení rozlišení fotolitografie (30 40%) DUVi - používá mezi soustavou čoček a křemíkovým plátkem kapalinu Zvýší se hloubka ostrosti (DF) dosáhneme NA s hodnotami podstatně většími než 1,0 používá extrémě čístá voda nebo další kapaliny Nutné pro technologie 45 nm (ASML, Canon a Nikon) Možné využití pro 14 nm i 10 nm technologie (Intel Ivy Bridge) difrakce Křemík C ptical roximity Correction SM hase Shift Margin RET - Resolution enhancement techniques Zdroj: Cymer

2 Extrémní ultrafialová litografie Leptání základní druhy EUV (Extreme ultraviolet lithography) Zdroj záření 13.5 nm Vyžaduje vakuum Veškerá optika (zrcadla) včetně masek musí být z vícevrstvého Mo/ bez poruch Fotorezist 2 xid Křemíková deska Fotorezist 2 xid Křemíková deska Fotorezist 2 xid Křemíková deska Mokré chemické leptání lazmatické leptání Reaktivní iontové leptání Subtraktivní leptací proces Aditivní leptací proces zdroj: SIE Anizotropní a izotropní leptání Anizotropní leptání na křemíku Anizotropní leptání Izotropní leptání Fotorezist xid Fotorezist xid Křemíková deska Křemíková deska Stupeň Anizotropie A f = 1 V / V V ři izotropním leptání je Af = 0 Selektivita k rezistu S FM = V F / V M VF >> VM Selektivita k podložce S FS = V F / V S Anizotropní leptání na křemíku Anizotropní leptání na křemíku

3 Tloušťka [nm] Rozvod pracovních plynů lazmatické leptání Leptání nitridových vrstev, odstránění fotorezistu Využívá se vysoké reaktivity atomů fluoru které vznikají při rozpadu molekul freonu CF4 při velmi vysoké teplotě s přísadou kyslíku Jednodeskové uspořádání Jednodeskové uspořádání Výhodou je dosažení větší přesnosti leptání N 2 2 CF a racovní komora N 2 2 CF 4 Asanace odpadních plynů Asanace odpadních plynů Víko Lodička s deskami Vysokofrekvenční generátor Rotační vývěva Vysokofrekvenční generátor Rotační vývěva Termická oxidace xidační (difúzní) pec Na vzduchu vznikne tenká vrstva oxidu (1-2 nm) ři vyšší teplotě (800 C až 1200 C) jsou molekuly kyslíku schopny difundovat přes oxid. 44% tloušťky vrstvy je pod původním povrchem křemíku a 56% nad ním 1000 C ůvodní povrch 1100 C 1000 C 56% 44% Voda Kyslík Čas [min] Závislost tloušťky vrstvy na času oxidace. Teplota v peci je 400 až 1200 C Trubice je z křemenného skla Vstup plynů Asanace odpadních plynů plynů Asanace plynů Asanace odpadních plynů plynů xidační pec - plynový systém Lokální oxidace maskovaná Nitridem xidace v kyslíku (směs kyslíku s dusíkem ) a) Depozice Nitridu Slouží jako oxidační maska b) řenesen motiv masky: Nitrid je vyleptán Vznik tačích hlav! c ) Lokální oxidace Spalovací komora racovní trubka z křemenného skla růtokoměry Regulační ventily N xidace ve vlhkém kyslíku - plynový systém je vybaven spalovací komorou, ve které hoří vodík v kyslíku. Spalováním vzniká vodní pára, která vstupuje do pracovní trubky Nitrid Limitující faktory lokální oxidace: - vznik ptačích hlav - růst i nahoru nerovný povrch xid

4 Isolace pomocí příkopů - STI STI: po plazmatickém leptání STI - Shallow Trench Isolation Depozice oxidu nitridu 3 N 4 Depozice oxidu, který vyplní vyleptaný příkop (Není to termický oxid!) 2 Nitrid na povrchu křemíku 3N 4 2 3N 4 2 Nitrid zůstává nanesen při procesu depozice oxidu křemíku. Chrání tím aktivní oblasti Maskované leptání 3 N 4 and 2 3N 44 CM broušení oxidu až na vrstvu nitridu 3N Leptání 3N hloubka = ~ 350 nm; mělký dstranění nitridu ( 3 4 ) 2 20 nm FinFETy UMC IBM Výkon tranzistoru je při malých rozměrech zvýšen lepším využitím prostoru Zachovávají poměrně velký průřez struktur, s minimálním půdorysem V přírodě jeden z nejčastějších procesů Rychlost difúze je silně závislá od teploty Difúze - princip Zdroj: EDA Insider Difúze - princip Rychlost difúze je silně závislá na teplotě. V tuhých látkách je při pokojové teplotě téměř nepozorovatelná. ři teplotě kolem tisíce stupňů již postupuje i v tuhých látkách poměrně rychle. Difúze při vysokých teplotách se CuS 4 používá v polovodičové technologii jako metoda lokálního dotování. CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS CuS 4 4 CuS 4 Zdroj 1000 C Difúze Je proces, při němž pronikají atomy Rozdifundování je mechanismus, kdy se dopantu pod povrch křemíkové desky ve atomy dopantu pohybují v křemíku i když vybraných oblastech právě nedifundují z okolí. Teplotou, časem a chemickým složením lze xid na povrchu křemíkové desky musí nastavit hloubku nadifundované vrstvy a být dostatečně tlustý (kolem 500 nm) aby koncentraci dopantu při povrchu přes něj atomy fosforu nepronikly.

5 40 kilovoltů Difúzní pec - princip Difúzní pec Difúze z kapalného zdroje - dusík probublává přes kapalinu a strhává sebou páry kapaliny do pracovní trubky, kam proudí i kyslík, reaguje s 3 a vzniká oxid fosforečný. racovní trubka z křemenného skla Vakuová difúze - zdrojem dopantu je jemný prášek z rozemletých dopovaných křemíkových desek. lanární difúzní zdroj 3 N 2 páry 3 Difúze z planárních difúzních zdrojů rášek z dopovaného křemíku Vakuum Křemíkové desky Křemíkové desky čelní stranou směrem k planárnímu zdroji N 2 2 N 2 růtokoměry Regulační ventily Další kyslík oxiduje povrch křemíkové desky. Tak vzniká na povrchu desky oxid křemičitý nasycen oxidem fosforečným. Až ten je nakonec zdrojem atomů fosforu pro difúzi do křemíku. Zátav ři difúzi z planárních zdrojů se dopant uvolňuje z keramických destiček nasycených oxidem dopantu uložených mezi křemíkovými deskami. N 2 2 Iontová implantace Iontový implantátor Iontová implantace je proces, při němž jsou "nastříleny" atomy dopantu pod povrch křemíkové desky. Ionty dopantu jsou urychlené elektrickým polem a nasměrované k povrchu desky a proniknou do jisté hloubky pod povrch křemíku 1000 C Během žíhání dochází také k difúzi atomů dopantu. Množství dopantu je důležitý parametr implantace nazývá se dávka. Do zdroje iontů se přivádí páry chloridu fosforitého - 3. Vlivem proudu elektronů ze žhavého vlákna ve zdroji iontů se molekuly chloridu fosforitého rozpadnou na atomy nebo shluky atomů s elektrickým nábojem - ionty. Vakuum - Magnet 3 Těžší ionty Lehčí ionty Zdroj iontů Urychlovač kilovoltů Štěrbina - Vychylovací systém Molekula chloridu fosforitého Kladné ionty fosforu a chloru Ionty jsou urychleny urychlovačem. Mezi elektrodami je 50 až 200 tisíc voltů. Křemíková deska Fosfor () Křemík dopován fosforem má typ vodivosti N Iontový implantátor - Magnet Fotografie magnetu Zdroj iontů clona magnet Iontový paprsek Lehké ionty Neutrální ionty Těžké ionty Grafit VIIon 80 analyzer magnet

6 Urychlovač Lineární urychlovač Elektrody 100 kv 80 kv 60 kv 40 kv 20 kv 0 kv Iontový svazek motnostní magnet Koncový vychylovací magnet Iontový svazek Vstup z magnetu Do vychylovacího systému Substrát Zdroj Skenovací disk 100 kv 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW Elektronová sprcha Epitaxní růst Zabraňuje nabíjení substrátu clona Sekundární elektronový cíl Sekundární elektrony Elektronové dělo Substrát Rekombinace Iont - elektron Epitaxe je narůstání vrstvy křemíku na povrchu křemíkové desky. Vrstva má stejné krystalografické vlastnosti jako podložka ale může mít jinou koncentraci příměsi anebo jiný příměsi. roces probíhá při vysoké teplotě C. Kolem rozžhavených desek proudí vodík. Když se přidá chlorovodík začne reagovat s křemíkem a odleptává povrch desky. To je důležité aby se odstranily všechny nečistoty anebo povrchové poruchy struktury křemíku. o oleptání povrchu se přivádí páry chloridu křemičitého 4. Ten při vysoké teplotě reaguje s přítomným vodíkem. Výsledkem reakcí jsou volné atomy křemíku které se usazují na povrchu křemíkové desky sledujíc její krystalovou strukturu. okud jsou přítomny molekuly fosfinu 3, vznikající atomy fosforu dopují rostoucí epitaxní vrstvu. odobně mohou být použity pro dopování i sloučeniny bóru. Výsledkem procesu je epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů až desítky mikrometrů. Epitaxní reaktor Křemíkové desky jsou uloženy na grafitovém bloku, který je v pracovní komoře z křemenného skla. Kolem komory je cívka indukčního ohřevu. Naprašování Atom argonu (Ar) naráží velkou rychlostí (desítky km/s) na povrch hliníkové desky a rozpráší několik atomů hliníku. Rozprášený hliník se usazuje na předmětech v okolí. V polovodičovém průmyslu se často naprašují vrstvy hliníku, stříbra, zlata, titanu, niklu anebo slitin hliníku s mědí a křemíkem (AlCu). Al Al Al Al N B 2 6 odvod plynů Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Ar Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al

7 Naprašování Terč je připojen k zápornému pólu zdroje vysokého napětí a pomocná elektroda -anoda - ke kladnému. Atomy argonu jsou výbojem ionizovány a elektrickým polem urychleny a nasměrovány na terč. Rozprášený hliník z terče se usazuje na deskách a vytváří naprášenou vrstvu hliníku. Magnetické pole magnetu umístěného za terčem zvyšuje účinnost procesu naprašování Chemické nanášení CVD 4(plyn) 2(plyn) 2 (pevný) 22 (plyn) 4(plyn) 2(plyns) 2(plyn) 22(plyn) olylicon (pevný) Zdroj vysokého napětí 1000 V Kontinuální tok plynů Křemíkové desky Difúze reaktantů Argon liníková deska - terč Magnet raniční vrstva Deponovaný film Vývěva Anoda substrát Metalizace vodivé spoje Metalizace Dnes se Al nahrazuje Cu o 40% menší odpor Až 11 vrstev metalizace Jiří Jakovenko katedra mikroelektroniky ČVUT-FEL CM Chemicko Mechanická lanarizace Chemicko Mechanická planarizace / Leštění Mechanicky s chemickým leptáním, nebo chemicky s mechanickým broušením důvod planarizace povrchu s odstraněním přebytečného materiálu roč CM? Abychom se vyhnuli nehomogenit v dalších deponovaných vrstvách roblém s litografií hloubka ostrosti litografu Nerovný povrch = špatné zaostření motivu bez CM s CM lavní použití: dialektrika: STI Kontakty mezi metalizací: W propojky metalizace: Cu damascene t2 < t1 Chemická reakce naleptá a změkčí povrch deponovaného materiálu, potom se mechanickým broušením povrch planarizuje. t1

8 CM Chemicko Mechanická lanarizace CM Chemicko Mechanická lanarizace Suspenze = chemické látky částice řítlačná síla Držák desky Suspenze c Film brusných částic posun Wafer p Rotační deska wafer Upínací deska růběžná kontrola procesu I Kontaminace ptická kontrola Měření testovacích struktur Kontaminace křemíku vzniká difúzí nežádoucích příměsí ze znečištěného povrchu anebo okolí. Zdrojem jsou prachové částice, úlomky různých materiálů, znečištěné chemikálie a také člověk - pot, vlasy, částečky kůže. Většinou nedá rychle odhalit a projeví se zpravidla až při testování. VIDE 320 x , Au Zlato 22,98977 Měď 11Na Sodík 63,546 29Cu Materiály v polovodičové technologii Čistota vody musí být na úrovni čistoty křemíku, tedy jedná se o jednotky až desítky gramů nečistot v tisíci tunách vody (tj. jeden milión litrů), deionizovaná voda. odobnou čistotu musí mít i jiné chemikálie jako jsou kyseliny, rozpouštědla a fotorezist. Reverzní osmóza Uplatňuje se fyzikální zákon, že koncentrace roztoků se snaží vyrovnat. Velké molekuly modré skalice se nemohou dostat přes membránu. Voda, jejíž molekuly membránou projdou, proudí z levé části do pravé. Roztok modré skalice se zřeďuje - koncentrace klesá. Tlak, při kterém přestane voda proudit do pravé části, se nazývá osmotický tlak a proces osmóza. CuS 4 CuS 4 CuS 4

9 ouzdření ožadavky na pouzdra: Elektrické malé parazitní kapacity, indukčtnosti Mechanické spolehlivé a pevné Tepelné dobrý odvod tepla Ekonomické - levné ouzdření Křemíková deska s vyrobenými čipy se rozřeže diamantovou pilou na jednotlivé čipy. Dobré čipy se připájejí anebo přilepí do pouzdra. řívody se propojí s kontakty na čipu tenkým měděným drátem (0,15mm). Kontaktování čipů Montáž na desku Wire Bonding Substrate Die ad (a) Through-ole Mounting (b) Surface Mount Lead Frame Typy pouzder arametry pouzder

10 Multičipové moduly Trendy v pouzdření čipů Stohování paměťových čipů pomocí techniky TSV (Through licon Via, čili průchody skrz křemík) omocí TSV lze nahustit velké množství spojů a vytvořit tak velmi širokou datovou sběrnici. Řádový nárůst rychlosti a velké snížení spotřeby Zdroj: ybrid Memory Cube Consortium