Photolithography. Danny Porath 2002

Photolithography Danny Porath 2002

With the help of. 1. Yosi Shacam TAU 2. Yossi Rosenwacks TAU 3. Delft people and site 4.

Outline SEM/TEM: 1. Examples, links and homework 2. Cleanroom 3. Photolithography

Internet Sites Handbook of Microlithography, micromachining and microfabrication, Editor P Rai-Choudhury. http://www.cnf.cornell.edu/spiebook/toc.htm http://dsa.dimes.tudelft.nl/ http://www.dimes.tudelft.nl/ http://www.dimes.tudelft.nl/2001/report.pdf http://www.eng.tau.ac.il/~yosish/courses.html http://www.jcnabity.com/ http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/theory/photolith.html http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/ http://www.ee.washington.edu/research/microtech/cam/processes/pdf%20files/photolithography.pdf...

1. Read the paper: Homework 3 Scanning Gate Spectroscopy on Nanoclusters Gurevich et. al., Applied Physics Letters 76, 384 (2000). - Emphasize the lithography part. 2. Read the paper: Direct Patterning of modified oligonucleotides on metals and insulators by dip pen lithography Demers et. al., Science 283, 662 (1999). - Emphasize the lithography part.

First Transistor and First Integrated Circuit John Bardeen, William Shockley and Walter Brattain invented the transistor in 1947. This transistor was a pointcontact transistor made out of Germanium (not Silicon which is widely used today). The idea of an integrated circuit was conceived at the same time by Jack kilby of Texas Instruments and Robert Noyce of Fairchild semiconductor.

Examples (DIMES- DELFT)

Transistors Interconnects (Intel, 130 nm technology)

Cleenroom

Cleanroom Class Ratings ( ULSI Technology, Chang & Sze)

Types of Cleanrooms ( ULSI Technology, Chang & Sze)

DIMES Basement

Clean Air Production

Vertical and Horizontal Laminar Benches

Vertical and Horizontal Laminar Benches Gowning Class 10,000 Gowning Class 100

Characteristics of Cleanrooms

Clean Entrance

DIMES Facilities Class 100 Lab

DIMES Facilities Class 10,000 Lab Base Processes 20-nm E-Beam Lithography Near/Deep-UV Optical Lithography Various special dry-etch tools Metal Sputter Deposition Metal Evaporation Furnace and RTO Processes SEM, FIB, STM, MFM

Chemical Storage

Organic Clean Bench

Inorganic Clean Bench

Inspection Area

Alignment Microscopes

Mask Aligners Carl Susz DUV contact printer DUV contact printer Carl Susz NUV contact printer

Leica EBPG 5

Terminal Room

Etching Systems

Mask Plasma Stripper

Deposition Area

Hitachi SEM

Philips SEM

Focused Ion Beam (FIB)

Atomic Force Microscope (AFM)

DIMES Facilities Special Applications Lab Post-Process Labs MEMS and RF/MEMS Wafer-Scale Packaging Laser annealing Amorphous silicon Other special processes

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

ליתוגרפיה אופטית - ע קרונות ב סיסיים תאור הדמות ) Image (Aerial תהליך החשיפה תהליך הפיתוח בקרת רוחב קו, בקרת ממד קריטי

ליתוגרפיה כתהליך ה ע ב רת מידע תכנו ן מסכה דמות אופטי ת דמות סמויה בחומר הצי לום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

מ ע רכת החשיפה מ אי ר י ם א ת ה מ סכה מ צ יד ה האחורי האור עוב ר ד ר ך המ סכה ומ תא בך ת מו נ ת הה תא ב כות נ עה מה מ סכה לעדשה העד שה אוספת חלק מה גל המ ת אבך ויוצר ת ד מ ות משוחזר ת ב מ י שור המו ק ד יש א ובדן מ יד ע הנוב ע מה גו דל הסופי של העד שה תכנו ן מסכה דמות אופטי ת דמות סמויה בחומר הצי לום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

תהליך הע בר ת התמונה אל הרזיסט http://www.ece.gatech.edu/research/labs/vc/processes/process-steps.html

מ ע רכת החשיפה מ אי ר י ם א ת ה מ סכה מ צ יד ה האחורי האור עוב ר ד ר ך המ סכה ומ תא בך ת מו נ ת הה תא ב כות נ עה מ המס כה לעדשה העד שה אוספת חלק מה גל המ ת א בך וי וצר ת ד מות משוחזר ת ב מ י שור המו ק ד יש א ובדן מ יד ע הנוב ע מ ה גודל הסופי של העד שה

מה קוב ע א ת איכות הליתוגרפיה? איכות הפ וטורז יסט לאחר הח שיפה בקרת רוחב קו, פרופיל הרזיסט, רזולוציה, חלון התהליך רגיסטרציה תאימות לתהליך התנגדות לאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימות כימית, היכולת להורדה יי צו ר יות מחיר, בטיחות, פגמים, יציבות, זמן חיי מדף.

יצירת הדמות - דוגמה הארה קוהרנט ית מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם P מרחק מחזור θn חוק בראג: p sin(θn ) = nλ

קונטרסט הדמות Intensity, I 1 I max I min 0 Image contrast = I I max max - I + I min min

מישור המוקד הע דשה עדשה בקוטר D ומרחק f מהמסכה מסכה NA = nsin( α) D 2 f

הטלת דמות ב עזר ת עדשה דקה

מה קוב ע א ת הרזולוציה? הרזולוציה יחסית לאורך הגל, λ ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע והרזולוציה משתפרת. f/#=f/d NA=n sin(a) = 1/(2 f/#) Re solution = k 1 λ NA

רזולוצ יה הגדרות פרקטיות הדמות הקטנה ב יותר שיש לה משמעות עו מ ק מוק ד ייצ ורית. תחום הסט י י ה ממשטח המוקד האי דיאלי, שיתן את הרזולוציה ה דרושה.

רזולוצ יה של MASK ALIGNER 2b = 3 λ( s + 0.5d ) λ = exposure wavelength d = resist thickness 2b = minimum pitch of line-space pattern s = spacing between the mask and the resist

אפיון מכ שיר החשיפה - ה- Stepper נתוני בחירה הגל λ. תאו ר ה מסכה,NA - ד ר ג ת הקוה ר נ ט י ות σ, אור ך - רוחב ה ק ו, המ חזור. כמות הסט ייה ה אפשר י ת מה מו קד ה מ צ ט ב ר ת ב תה ליך החשיפה. הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

צילום ישיר ע י MASK ALIGNER

מס כות איכות החשיפ ה תלוי ה במערכות החשיפה אך גם במידע על המסכה.

התמונה הסמויה הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: PAC - Photo Active Compound - ר יכוז ה- PAC מ סומן כ - m וזו הת מו נ ה הסמויה מכפלת עו צ מ ת ההארה (I ( אנ ר ג יי ת ה חשיפה. בזמן ה האר ה נות נ ת א ת m הנ ו פונק צ יה של אנ ר ג יי ת ה חשיפה

השפע ת ההארה על חומ ר הצילום הדמו ת ה א ופטי ת פו עלת על שכבה דקה של חומ ר ר גיש לאור - פוט ורזיסט אור - E=hυ ישנ ם שני סוגי פוטורזיס ט: - שלילי - החו מר נשאר באזור המואר - חיוב י - החו מר יו רד באזור המואר

NEGATIVE PHOTORESIST חומר צילום שלילי - 1. Non-photosensitive substrate material About 80 % of solids content Usually cyclicized poly(cis-isoprene) 2. Photosensitive cross-linking agent About 20 % of solids content Usually a bis-azide ABC compound 3. Coating solvent Fraction varies Usually a mixture of n-butyl acetate, n-hexyl acetate, and 2- butanol Example: Kodak KTFR thin film resist:

NEGATIVE PHOTORESIST חומ ר צילום שלילי - ההארה יוצ ר ת סופר מולקולות מ ר ובות ע נפי ם המולקולות ה ג דולות יוצ רות מ ב נה ה מא ט א ת ק צ ב חדיר ת ה נוזל למו צ ק. ישנה נקודה, בה המוצק הופך להיות לא מסיס, הקרויה נקודת הג ל.

פיתוח באזורים המוארים הפולימר מצולב. ישנם ממסים אורגנים שיחדרו באזורים הלא מוארים, יתפיחו אותם, יגרמו לפירוק הקשרים הכימיים הקיימים וישטפו אותם.

פוטורזיסט חיובי הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט חיובי החומר מכ יל ת רכוב ת פ ע ילה הק רו יה: PAC - Photo Active Compound ר יכוז ה- PAC מ סומן כ מכפלת עוצמת ההארה אנרגיית החשיפה. - m - ( I) וזו הת מו נ ה הסמויה בזמן ה האר ה נות נ ת א ת m הנ ו פונק צ יה של אנ ר ג יי ת ה חשיפה

הקונטרסט של הפוטורזיסט עובי רזי סט מ נורמל 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 E 0 שיפוע - אנרגית הסף להורדת הרזיסט 1 10 100 1000 [mj/cm 2 ] אנרגית החשיפה,E γ -

הפיכת הדמות

איכול - העתקת הדמות רזיס ט I II שכבה שכבה איכול אנאיזו טרופי

סיכום ביניים תהליך יצירת תמונה חשיפה פיתוח סה כ התהליך פונקציה מאפיינת איכות הדמות האופטית איכות הדמות הסמויה צורת חומר הצילום מרווח החשיפה - Exposure latitude

Examples: Photolithography 193 nm excimer laser litho on a fully planar substrate

ב ק רת רוחב ה קו מה קובע את יכולת בקרת התהליך? השגיאות האקראיות בתהליך הייצור תגובת התהליך לשגיאות הללו

E הגדרת מרווח הח שיפה E 100% no min al מ רווח החשיפה = E E(CD -10%) - E(CD + 10%) רוחב הקו CD +10% CD CD-10% Nominal linewidth E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%) אנרגית החשיפ ה

השפע ת המצ ע המ צ ע מח זיר חלק מ האור ויוצ ר ת ב ני ת ג לים עו מד י ם עם החזרות ל לא החזרות

פתרון לב עיית הגלים העומ דים הכנסת שכ בה לא מח זירה ARC - Anti Reflective Coating דוגמה: הוספת שכבת טיטניום-ניטריד TiN) ( מעל שכבת אלומיניום. הוספת צ ב ע בולע לרזיס ט (פ ת רון מו גב ל)

דרישות מהפוטורזיסט ± רוחב קו - נומינלי 10% זווית צד < 80 אובדן רזיסט > 10%

מציאת עומ ק מ וקד אידאלי רוחב קו CD E עולה מיקום המוקד

עומ ק מ וקד עומק המוקד ) DOF ( - תחום המוקד שנותן את פרופיל הרזיסט לפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון. DOF = λ k 2 NA 2

דוגמה: השגיאה ב מ רחק ה מוק ד שגיאות אקראיות חימום העדשה השפעת הסביבה הטית המסכה מישוריות המסכה מישוריות הפרוסה מישוריות המכשור הדירות המכשיר השגיאה בקביעת DOF רעידות סה כ 0.10 מיקרון 0.20 מיקרון 0.05 מיקרון 0.12 מיקרון 0.30 מיקרון 0.14 מיקרון 0.20 מיקרון 0.30 מיקרון 0.10 מיקרון 0.60 מיקרון

שגיאת המוקד ה בנויה ב מ ער כת BIFE) ( 0.6 מיקרון 0.5 מיקרון 0.4 מיקרון 0.1 מיקרון 1.6 מיקרון שגיאות אקראיות טופוגרפיה עקמומיות שדה ואסטיגמטיזם עובי הרזיסט סה כ השגיאה (BIFE)

ק ביעת חלון ה תהליך אנרגית החשיפ ה תחום ה- CD תחום אבדן רזי סט > 10% מיקום המוקד חלו ן התהלי ך אנרגית החשיפ ה הנומי נ ל ית תחום זווית צד < 80 0

שיטות לשיפור ח לון התהליך חשיפה ב מספר מ ר חק י מו קד המוקד למעלה פוטורזי סט המוקד למטה פוטורזי סט

הוספת חומ ר מ גדיל קונטרסט CEL - Contrast Enhanced Lithography ה- CEM נעשה שקוף באזור המואר

הנדסת חזית הגל ב ק ר ת ה ע וצ מה והפאזה של גל האור עיצ וב המסכה הרזולוצי ה. - הוס פת אלמנטי ם הקטנ ים מגבול OPC - Optical Phase Correction הוספ ת אלמנטי ם מסיחי פאזה PSM - Phase Shifting Masks הארה מיוחדת - בזו ו ית מסננים במי שור הצמצם

תיקון פ אזה אופטי (OPC) תיקו ן פי נה Serif מסכה עם OPC מסכה רגילה הסחת פינה פנימה Pullback-

הסחת פאזה ע ל המס כה ע י הוספת שכ בות דקו ת דיא לק ט ר יות שקופות שכבה מסיחת פאזה - Shifter φ = 2π (n -1) d λ - מק דם השבירה של השכבה הדיאלקטר ית - עובי השכבה הדיאלקטרית n d

הסחת הפאזה - מ שפרת את הקונטרסט האופטי E, mask הסחת פאזה של 180 E, Wafer I= E 2 - השדה החשמל י, - עוצמת ההארה I E

מד יד ות רוחב ק ו אפיון ה ליתוגרפיה מדידות אופטיות מדידות בעזרת SEM-CD מד יד ות צור ת ה קו מדידות בעזרת SEM ו- FIB מדידות פרמטרי הרזיסט - A,B,C מדידות פרמטרי החשיפה

סיכום פוטוליתוג רפי ה - תהליך הע ת ק ת ה מ יד ע לפרוסה לתהליך ט י פוסי יות ר מ 14 מסכות. התהליך מוגבל דיפרקציה השימוש בחומר צילום לא-ליניארי הבולע אור משפר את הרזולוציה תהליך הליתוגרפיה הנו קריטי להצלחת תהליך היצור