WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРАЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ)» Б.А. Лапшинов ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТОГРАФИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Утверждено Редакционно-издательским советом института в качестве учебного пособия Москва 2011 - 1 - УДК 621.38 ББК 32.85 Л 24 Рецензенты: докт. техн. наук А.Б. Соколов (ГУ «НИИ МЭИИТ МИЭМ»);

докт. ф.-м. наук А.Н. Магунов (ГБНУ «НИИ ПМТ»).

Лапшинов Б.А.

Л 24 Технология литографических процессов. Учебное пособие – Московский государственный институт электроники и математики. М., 2011.–95 с.

ISBN 5-230- Изложены принципы и методы выполнения всех операций, составляющих единый технологический процесс фотолитографии. Дан анализ ограничений разрешающей способности традиционной фотолитографии и показаны пути их преодоления. Приведены сведения о развитии литографических процессов и основные принципы их реализации.

Для студентов 3 и 4 курсов обучающихся по специальности 210100 «Электронное машиностроение» УДК 621.38 ББК 32.85 - 2 - © Лапшинов Б.А., 2011 Введение Бурное развитие микроэлектроники, наблюдаемое в последние годы, стало возможным благодаря совершенствованию техники. Первым шагом к возникновению микроэлектроники был переход от электронных вакуумных ламп к твердотельным приборам, изготавливаемым из материалов с полупроводниковыми свойствами.

Лидерство в изобретении транзистора принадлежит сотрудникам лаборатории Bell Telephone Laboratories (1948 г.). Первые транзисторы создавались на основе германия, были точечными, имели нестабильные характеристики, недостаточную надежность, очень высокий уровень шумов и... очень дорогими.

Переход от точечных транзисторов к плоскостным (планарные технологии), так же как и переход от германия к кремнию, был осуществлен фирмой Texas Instrument Incorporation в 1953 году. Применение кремния позволило резко увеличить мощность транзисторов. Освоение групповой планарной технологии изготовления транзисторов, основанной на использовании диффузии, позволило значительно уменьшить их себестоимость.

Первая интегральная схема, а именно с интегральными схемами ассоциируется ныне понятие «микроэлектроника», была выполнена фирмой Fairchild Semiconductor в 1961 году. Эта интегральная схема представляла собой триггер, состоящий из четырех биполярных транзисторов и двух резисторов. В 1963 г. фирма RCA выпустила первую интегральную логическую схему, включающую 16 МОП-транзисторов. И процесс пошел...

Быстрому распространению интегральных схем способствовали групповые планарные технологии, отработанные в производстве транзисторов.

19 апреля 1965 года Гордон Мур, ставший впоследствии одним из основателей корпорации Intel, в небольшой статье для юбилейного выпуска журнала Electronics сделал одно из самых знаменитых предсказаний второй половины XX века, которое впоследствии стали называть "Законом Мура". Он подметил, что примерно каждые два года происходит удвоение числа транзисторов в микросхемах, производство которых на текущий момент обеспечивает минимальную стоимость в пересчёте на один транзистор. В дальнейшем это предсказание оправдалось самым блестящим образом. В 1965 году наиболее сложная микросхема состояла всего из 50 компонентов и стоимость одного транзистора была около 1 доллара. К 1975 году стоимость транзистора упала до одного цента, а размер транзисторов сократился так, что на одном кристалле их можно было разместить более 100 000. В сегодняшних процессорах количество транзисторов превышает порой 1 миллиард, а - 3 - стоимость одного транзистора при этом составляет менее одной десятитысячной цента. Именно по причине этих беспрецедентных темпов повышения сложности изделий при одновременном снижении их стоимости микроэлектроника выделяется из всех остальных отраслей промышленности и с полным основанием может считаться "локомотивом экономики" на протяжении последних 50-ти лет. Если в любой другой отрасли промышленности разработка нового изделия, которое вдвое сложнее предшествующей модели, ведёт к примерно двукратному увеличению стоимости этого изделия, то в микроэлектронике всё происходит с точностью до наоборот! Гордон Мур в интервью, посвящённом 40-летию его высказывания, заметил, что он, прежде всего, хотел обосновать идею, что интегральные микросхемы - это способ делать вещи дешевле. На самом деле, если комплектующие микроэлектронные изделия каждые два года теряют половину цены, то и любая конечная продукция, в состав которой они входят, тоже неизбежно будет дешеветь. Или возможен другой вариант, при котором через два года появляется новое изделие, выполняющее вдвое больше функций, чем предыдущая версия, но при этом цена остаётся прежней.

Раздел 1. Планарная технология и литография 1.1. Место литографии в технологии ИМС По способу изготовления и получаемой структуре различают два принципиально разных типа интегральных микросхем: полупроводниковые и пленочные. По ряду причин главенствующее положение занимают полупроводниковые микросхемы, представляющие собой основу современной микроэлектроники.

Полупроводниковая интегральная схема — это микросхема, элементы которой выполнены в приповерхностном слое полупроводниковой подложки. Технология их изготовления основана на легировании полупроводниковой (кремниевой) пластины поочередно донорными и акцепторными примесями, в результате чего под поверхностью образуются тонкие слои с разным типом проводимости и р-n - переходы. При этом отдельные слои используются в качестве резисторов, а р-n - переходы предназначены для реализации диодов и транзисторов.



Локальное легирование осуществляется с помощью масок, причем роль маски обычно выполняет пленка двуокиси кремния (Si02), покрывающая поверхность кремниевой пластины. «Окна» в этой пленке вскрываются специальными методами. Фрагмент структуры полупроводниковой интегральной схемы приведен на рис. 1.

Пленочная интегральная схема - это микросхема, чьи элементы - 4 - выполнены в виде пленок, нанесенных на поверхность диэлектрической подложки (стекло, керамика и др.). В зависимости от толщины пленок различают тонкопленочные (1-2 мкм) и толстопленочные (10-20 мкм и выше) интегральные схемы. В толстопленочных технологиях используются пасты различного состава, в тонкопленочных технологиях пленки осаждаются на подложку в вакууме или из газовой фазы. Пленочные микросхемы содержат только пассивные элементы (резисторы, конденсаторы и т. д.), поскольку получить в пленках активные компоненты (транзисторы) пока еще не удалось. Как следствие, такие микросхемы функционально очень ограничены.

Рис. 1. Фрагмент структуры полупроводниковой интегральной схемы В ответ на подобные ограничения появились гибридные интегральные схемы, которые представляют собой комбинацию пленочных пассивных элементов и активных компонентов, расположенных на общей диэлектрической подложке. Дискретные активные компоненты, входящие в состав таких интегральных схем, называют еще и навесными. Известны и другие «смешанные» микросхемы.

Данные типы микросхем объединяют групповые планарные технологии их изготовления - величайшее научно-техническое достижение XX века.

Микротехнологии — это комплекс групповых прецизионных планарных технологий, разработанных для производства изделий микроэлектроники. Сущность таких технологий проста по смыслу и одновременно сложна по содержанию. Она определяется чередованием целого ряда сложных уникальных процессов. Эти технологии непрерывно модернизировались, но принципы, на которых они основаны, оставались неизменными. Основной целью модернизаций было и есть уменьшение топологической нормы, т.е. характерного размера элемента микросхемы (или увеличение разрешающей способности).

Под разрешающей способностью (разрешением) понимается размер и точность формирования заданного рельефа (рисунка) микросхем. Чем меньше размер и выше точность, тем выше плотность упаковки отдельных - 5 - элементов внутри микросхемы, тем больше количество логических элементов, размещаемых на единице площади микросхемы, и, соответственно, выше ее функциональные возможности.

В технологии изготовления интегральных микросхем очень важное место принадлежит маскам, обеспечивающим локальный характер напыления, легирования, травления, а в некоторых случаях и эпитаксии.

Любая маска есть совокупность отверстий (окон) в слое сплошного материала. Формированием масок в планарной технологии занимается литография. Литография (от греческого lithos — «камень» и grapho— «пишу», «рисую») — способ формирования рельефа (рисунка) в слое металла, диэлектрика или полупроводника. Процесс литографии осуществляется с использованием специальных материалов - резистов, чувствительных к внешнему облучению и способных при этом переходить в нерастворимое устойчивое к действию травителей состояние (негативные резисты) или, наоборот, разрушаться (позитивные резисты).

Основная характеристика процесса литографии - разрешающая способность, то есть способность раздельно воспроизводить мелкие элементы рисунка. Обычно разрешающая способность оценивается по минимальной ширине воспроизводимой линии и определяется преимущественно способом экспонирования резиста и длиной волны воздействующего на него излучения. Теоретики говорят, что предел разрешающей способности - половина длины волны экспонирующего излучения. Всему виной - дифракция света. Практика подтверждает эти теоретические предпосылки. По мере увеличения требований к уровню разрешения литографического процесса длина волны используемого излучения становится все меньше.

Оптическая литография или фотолитография обычно использует излучение с длиной волны = 0,36-0,45 мкм. Если поделить пополам это значение, получим теоретически возможное разрешение рисунка микросхемы. На практике оно будет несколько хуже (1-2 мкм). Такой уровень разрешающей способности достаточен для получения большей части современных печатных плат (носителей микросхем), но уже недостаточен для большинства современных интегральных микросхем. Маленький шажок вперед позволило сделать использование глубокого ультрафиолетового излучения ( = 0,2- 0,3 мкм). Появилась возможность воспроизводить элементы с размерами 0,5 - 0,8 мкм и менее. Большой шаг вперед позволило сделать использование иных, более коротковолновых излучений (рентгенолитография, электронолитография).

Рентгенолитография ( = 0,2 - 10 нм) — один из наиболее высокоразрешающих методов литографии. Она позволяет получить рисунок с размерами элементов 0,1 мкм и менее.





Электронная литография обладает наиболее высокой разрешающей способностью. Дебройлевская длина волны электрона (электрон - это еще и - 6 - волна) менее 0, 1 нм. И эффекты дифракции, ограничивающие разрешающую способность электронной литографии, очень малы. Но имеются и другие осложняющие факторы, например, рассеяние электронов в слое резиста, их отражение от подложки, поэтому реально достижимый уровень разрешения хуже. Наибольшее практическое значение получила сканирующая электронная литография. Ее основное достоинство — отсутствие специальных шаблонов для создания требуемой топологии интегральных схем.

И все же специалисты считают, что возможности твердотельной электроники приближаются к своему пределу. А лимитирующей стадией являются именно процессы литографии. Размер составляющих элементов микросхем уменьшается каждые 3 года с коэффициентом 0,7. По другим данным (закон Мура) плотность упаковки элементов микроэлектроники должна удваиваться каждые 1,5-2 года. Для достижения все более высокого уровня разрешения может быть использована «вилка» между теоретически возможным и реально достижимым уровнем разрешения внутри каждого метода литографии. Но для этого требуются новые материалы, новое оборудование и еще многое другое. Да и теоретически возможные пределы достижения высокого разрешения — не беспредельны.

90-,65-, 45-, 32- нм технологии — реалии современной твердотельной электроники. Отработаны, но пока еще преимущественно в лабораториях, и технологии 22 нм. А что же дальше Дальше, скорее всего, произойдет переход на качественно иной уровень. Впереди - другая электроника.

Химические, биологические и иные варианты микросхем будущего позволят реализовать принципиально новый уровень разрешения - уровень, соизмеримый с линейными размерами атомов и молекул.

Экспериментальных образцов создано уже более чем достаточно. Вопрос лишь в том, когда это количество перейдет в качество.

- 7 - Исполнительный директор Intel Пол Отеллини демонстрирует микросхемы, выполненные по 22-нанометровой технологии (2009 год) 1.2. Литографические процессы. Сущность, этапы и основные операции Литография в микроэлектронике – это совокупность фотохимических процессов, создающая на поверхности материала защитный слой требуемой конфигурации и стойкости к агрессивным воздействиям и последующей операции селективного травления или осаждения, использующих этот защитный рельеф.

В большинстве случаев литография проводится по какому-либо технологическому слою, нанесенному на поверхность полупроводниковой пластины. В качестве такого слоя может использоваться пленка SiO2 или Si3N4, пленка металла, поликремния и др. Проводя литографию по слою диэлектрика (SiO2, Si3N4) формируют конфигурацию маски для локального внедрения легирующей примеси, подзатворного диэлектрика в МДП транзисторах, литография по металлу позволяет формировать топологию токоведущих дорожек, контактных площадок, тонкопленочных резисторов и других элементов ИМС.

Процессы литографии можно разделить на три этапа, каждый из которых включает ряд последовательно выполняемых операций (рис. 2).

- 8 - Этап 1. Формирование сплошного равномерного слоя резиста на поверхности подложки. Этап включает следующие операции:

а) подготовка поверхности подложки;

б) нанесение слоя резиста;

в) термическая сушка резиста.

Этап 2. Создание рельефной структуры (маски) резиста. Операции этапа:

а) экспонирование резиста;

б) проявление резиста;

в) термическая сушка (задубливание) резиста.

Этап 3. Перенос рельефа резиста на технологический слой, имеющийся на подложке. Операции этапа:

а) травление технологического слоя;

б) удаление резистивной маски;

в) очистка поверхности подложки.

Теоретические основы выполнения этих этапов включают три основных раздела:

1) прикладную оптику, формирующую заданное изображение в резистивном слое;

2) прикладную фотохимию, определяющую закономерности поведения резиста в различных ситуациях;

3) прикладную теорию травления (растворимости или распыления) различных материалов в жидкостных и плазмохимических средах.

В зависимости от длины волны применяемого при экспонировании излучения различают оптическую, рентгеновскую, электронную или ионную литографию (рис. 3). Оптическая литография (фотолитография), стандартная или в глубокой ультрафиолетовой области, в соответствии со способом экспонирования может быть контактной или бесконтактной (на микрозазоре и проекционная). Электронная литография может выполняться путем последовательной передачи топологического рисунка на слой резиста сфокусированным единичным электронным лучом или путем одновременной проекции всего рисунка. То же можно сказать и об ионной литографии.

Последовательность выполнения отдельных операций всех методов литографии является практически одинаковой. Различие состоит только в способе воздействия на слой резистивного материала при выполнении операции экспонирования.

В связи с этим подробно остановимся только на оптической литографии, точнее, на стандартной фотолитографии, использующей для экспонирования резиста ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны = 310-450 нм: светом (photo) по камню (lithos) рисую (grapho).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.