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Vorlesung „Halbleitertechnologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
Institut für Angewandte Physik
Halbleitertechnologie
2
Organisatorisches
Johannes Heitmann Institut für Angewandte Physik Gellert-Bau, EG.17Tel.: 39 2590E-Mail: johannes.heitmann@physik.tu-freiberg.de
Vorlesungsfolien finden Sie unter:http://tu-freiberg.de/fakult2/angph/studium/
Nutzer: iapuserPasswort: iap0107
Quelle Folien: adapted from[1] G. Cuniberti, J. Heitmann „Nanotechnologie“, Dresden [2] T. Mikolajick, „Technologien der Mikro- und Nanotechnolgie“, TU FreibergQuellen auf den Folien
Vorlesung „Halbleitertechnologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
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Halbleitertechnologie (Sommersemester)1. Einleitung- Geschichtliche Einführung- Prozeßabfolgen in der Halbleitertechnologie- Trends und Herausforderungen2. Oxidation3. Lithographie- Optische Lithographie (Anlagen, Masken, Prozesse)- Lacke und Entwicklung- Elektron- und Ionenstrahlschreiben, Imprint, Interferenzlithographie4. Abscheideprozesse- physikalische, chemische, thermische Abscheidung- Oxidation- Prekursoren chemische Abscheidung5. Strukturierung und Planarisierung- Trockenchemisches Ätzen- Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)6. Dotierung und Metallisierung- Diffusion, Ionenimplantation- Metallisierung (Al, W, Cu Metallisierung, Damascene)7. Nasschemie8. Realisierung von Prozessflüssen 9. Transistoren10. Kondensatoren11. Alternative Devices
Vorlesung „Halbleitertechnologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint [1]
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Inhalt
Vorlesung „Halbleiterchemie - Technologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
Einführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint
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Alois Senefelder (1771-1834)
• durability of the printing plate (Stone)
• fast editing of the printing plate
Lithography is a method for printing using a plate or stone with a completely smooth surface. Lithography simply uses oil or fat and gum arabic to divide the smooth surface into hydrophobic regions which accept the ink, and hydrophilic regions which reject it and become the background. Invented by Bavarian author Alois Senefelder in 1796, it can be used to print text or artwork onto paper or another suitable material. The word "lithography" also refers to photolithography, a microfabrication technique used to make integrated circuits and microelectromechanical systems, although those technique have more in common with etching than with lithography.
Lithographie (‚Druck von Steinen‘)
[1]
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Belichten
ätzresistent
Wachsen/Oxidieren
dicht undercut
Dotieren
dicht
Positiv-Resist Negativ-Resist
ÄtzenBeschichten
Entwickeln
Strukturierung
Anforderungan Lack
Resultat
Prozeßschritte
[1]
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LithographyTrends icknowlegde.com
[1]
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Belichtungsquellen für die optische Lithographie
Für den mittleren UV- Bereich können Quecksilberlampen eingesetzt werden. Für den tiefen UV- Bereich werden Excimerlaser eingesetzt, speziell für 248nm KrF, für 193nm ArF und für 157nm F2.
Wellenlänge in nm 7004 550 600 65050045040035030025020015010050
Ultraviolettes SpektrumSichtbares Spektrum
QuecksilberlampeExcimerlaser
ghi365 40524819313 436157
violettrotblau
grüngelb
orangeMittleres UVEUV DUVVUV
F2 ArF KrF
Lichtquellen
[2]
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Design
Mask definition:
Layout Simulation reticle 1st Silicon
Tape-out
Photolithographie (layer by layer):
resist coating
alignment/exposure
developermeasurement (CD, overlay)
structuring (RIE, wet, ...)
resist removal(wet, dry ash)
stepper/scannerRework
(resist removal)
Maskenentwicklung - Litho
[1]
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint
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Optische Grundbegriffe
Numerische Apertur (Maß wieviel Licht durch eine Li nse eingesammelt wird):
αsin⋅= nNAD αf
Brechungsindex
Beugung an der Kreisblende: kreisförmiges Beugungsmuster mit Intensitätsverlauf der Besselfunktion
Besselfunktion
Vorlesung „Halbleiterchemie - Technologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
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Auflösungsbegrenzung
Rayleigh-Kriterium: Abstand der zu trennenden Maxima größer als Radius des ersten Minimums
Min. Auflösung:NA
xλ⋅=∆ 61,0
Sparrow-Kriterium: Min. Auflösung, wenn die Helligkeitsmodulation verschwindet
Min. Auflösung:
NAx
λ⋅=∆ 5,0
Vorlesung „Halbleiterchemie - Technologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
[2]
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Optische Grundlagen
( )2sinαλ
⋅=
nDOF
Die Tiefenschärfe (engl. DOF= Depth of Focus oder Depth of Field) gemäß dem Rayleigh- Kriterium:
NAkx
λ⋅=∆ 1
22 NAkDOF
λ⋅=
λ =193nm, NA = 1,2, k1=0,3
�∆x = 48nm
Verallgemeinert werden zwei Werte k1 und k2 benutzt:
Vorlesung „Halbleiterchemie - Technologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
[2]
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In der optische Lithographie kann weiterhin in Kontakt- , Proximity- und Projektionsbelichtung eingeteilt werden. Bei der Kontaktbelichtung ist die Maske im direkten Kontakt mit dem Substrat . Bei der Proximitybelichtung befindet sich ein kleiner Spalt zwischen Maske und Substrat . Bei der Projektionsbelichtung wird die Maske über ein optischen System auf das Substrat abgebildet . Bei der Projektionsbelichtung werden die Strukturen üblicherweise um einen Faktor 4 oder 5 verkleinert abgebildet.
Kontaktbelichtung Proximitybelichtung Projektionsbelichtung
Lichtquelle Lichtquelle
Kondensorlinse
Lichtquelle
Kondensorlinse
Maske
Kondensorlinse
Maske
Lack
Maske
LackProbe
LackSpalt
Optisches System
Probe Probe
Belichtungsverfahren
[2]
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In der Projektionsbelichtung wird die Auflösung durch die Fernfeldbeugung(Fraunhoferbeugung ) bestimmt. Die minimale aufzulösende Struktur ∆x ist demnach durch die Gleichung gegeben:
Fernfeldbeugung bei der Projektionsbelichtung
Mit der Wellenlänge λ und der numerischen Apertur NA . Der Faktor k 1 kann dabei Werte bis herab zu 0,25 annehmen.
NAkx
λ⋅=∆ 1
W
Kontakt
MaskeEinfallende ebene Welle
Lack Wafer Lichtintensität auf der Lackoberfläche
Abstand hängt vom Typ des betrachteten Systems ab ProjektionProximity
Belichtungsverfahren
[2]
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Für die Kontakt- und Proximitybelichtung werden so genannte „Mask-Aligner “ (= „Masken-Justierer“) verwendet, bei denen die Maske direkt auf das Substrat justiert wird.
Aufbau eines Mask-Aligners
Beleuchter
Ausrichtungs-mikroskop Maske
Wafer
Vakuumteller
Masken-bühne
(X, Y, Z , Ф)
Waferbühne (X, Y, Z, Ф)
QuecksilberlampeFrontansicht eines
Mask-Aligners
Kontakt- und Proximitybelichtung
[2]
18
Um die numerische Apertur weiter erhöhen zu können und ein möglichst großes Bildfeld zu erreichen, wurde das „Step and Repeat“-Verfahren zum „Step und Scan “ (deutsch: Schritt und Raster)- Verfahren weiterentwickelt. Dabei wird die Fotomaske während der Belichtung eines Bildfeldes unter dem Lichtstrahl bewegt , während gleichzeitig das Substrat bewegt wird. Dadurch kann ein Bereich abgebildet werden, der deutlich größer ist, als der Strahl selbst .
„Step and Repeat“-Verfahren
„Step and Scan“- Verfahren
5:1 Linse
UVUV
Schritt und RasterBildfeld
Scan
StepperBildfeld
(Einzelbelichtung)
4:1 Linse
MaskeMaske Scan
Scan
Wafer WaferSchrittrichtung
Projektionsbeleuchtung
[2]
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Für die Projektionsbelichtung werden heute aufwendige Linsensystem benötigt. Die Linsen für den tiefen UV- Bereich bestehen aus Quarzglas . Für 157nm ist auch Quarzglas nicht mehr optisch transparent , sodass dafür CaF2 - Linsen entwickelt wurden. Für noch kleinere Wellenlängen müssen Spiegeloptiken verwendet werden.
Entwicklung der Linsensysteme
Linsensystem mit NA=0,85
Aufnahmegerät (GCA) 4800 ASML 40 ASML 300 ASML 1200NA 0,28 0,4 0,57 0,85
Auflösung (nm) 1400 700 250 80Pixelanzahl x
1090,04 0,32 10 100
Preis (rel.) 1x 10x 80x 450x1. Prototyp 1975 1987 1995 2003
Beispiele der Linsen wurden von Carl Zeiss
(Deutschland) hergestellt
Linsensysteme
[2]
20
•Projektionsbelichtung: Maßstab 5:1 oder 4:1 vergrößerte Version der Struktur auf die Maske geprintet
•mehrmaliges belichten von ein und der selben Struktur
•Fokus wird für jede einzelne Struktur neu eingestellt
•„Step and Repeat “ (deutsch: Schritt und Wiederholung)
„Step and Repeat“-Verfahren
UV LichtMaskenfeldgröße20 mm × 15mm,4 Chips pro Feld
5:1 Verkleinerungs-linse
Substrat
Bildbelichtung auf dem Wafer von nur
noch 1/5 des Maskenfeldes
(4 mm × 3 mm),4 Chips pro Belichtung
Serpentinen-Raster
Step und Repeat
[2]
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Zweite Maske
Erste Maske
Zweite Maskenebene
Erste Maskenebene
RA, Masken Justagemarken, L/RGA, Globale Justagemarken, L/RFA, Feinjustagemarken, L/R
+ +++
RAL
RAR+ GA
+ FAL
+ FAR
+ GAR
+ GAL Einkerbung, Grobjustage
FAL
FAR
FAL/R +
+FAL/R +
Für 2. Maske
+ Von erster
Maske{
Justagemarken
[2]
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint
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Um die Auflösung unter das Rayleigh- bzw. Sparrow-Kriterium zu bekommen, wurden eine Reihe von auflösungserhöhenden Techniken entwickelt. Dies sind im einzelnen:
� „Off-Axis“- Belichtung
� Phasenschiebermasken
� Optische Nachbarschaftskorrektur
(engl. optical proximity correction = OPC)
� Mehrfachbelichtung
Verschiedene Methoden zur Auflösungserhöhung
Quelle
Wafer
Kondensor
Kürzere Wellenlänge
Maske
“Off-Axis”-Belichtung
Phasenschiebermaske (PSM)
Blende
Mehrfachbelichtung
Cr
Linse
PhasenschieberÖffnung
Wafer
Form der Quelle
Projektionslinse
Auflösungserhöhung
[2]
24
Deep Ultra Violet Light –157nm & 193nm wavelengths by Excimer Lasers
Icknowledge.com
DUV Lithographie
[1]
25
Die Beleuchtung von außerhalb der optischen Achse wird durch Aperturblenden erreicht, die in den Strahlengang gebracht werden. Heute wird mit einer Vielzahl an Aperturblenden gearbeitet:
� Lochblende für konventionelle Belichtung (a)
� Ringförmige (eng. annular ) Blende (b)
� Vierfachblende (c)
� Getrennte Blende (d)
� Quadrupol- Blende (e)
� QUASAR (f)
� Dipolblende (g)
Bei der Dipolblende sind – falls die Strukturen nicht alle in einer Richtung ausgerichtet sind –zwei Belichtungen erforderlich.
Verschiedene Aperturblenden
Aperturblenden
[2]
26
Konventionelle Belichtung
Die Auflösung eines optischen Systems kann unter das Rayleigh- Kriterium reduziert werden, indem mehrere Beugungsmaxima abgebildet werden. Dies kann durch einen Strahl, der nicht entlang der optischen Achse auf die Maske fällt, realisiert werden.
A
B- A+
B+B+A-A-
B
Negative Beugungsmaxima n-ter
Ordnung
Loch-Maske
Projektions- Optik
Substrat
„Off-Axis“ Belichtung
Positive Beugungsmaxima
n-ter Ordnung
Off-Axis -Beleuchtung
[2]
27
lens
water
wafer
Description:•Resolution enhancement technique that replaces airgap by liquid•Resolution improvement equal to refractive index (30-40% ~ one technology node)•Liquid: highly purified water•Achieved feature size: 37 nm
drawbacks/challenges:•bubble creation during scan (500mm/s)•immersion fluid absorption by photoresist•watermarks, airgap
Immersionslithographie
[1]
28
Incident light
standard mask
alternating phase-shift mask
attenuated phase-shift mask
Phase-shifting region
partial transmittance
Phase shift masks:Using interference generated by phase difference for resolution improvementalternating phase-shift mask:Phase shift created by thinning certain transmitting regionsattenuated phase-shift mask:Phase shift created by partial transmittance of bloccking regions
Application: widely used (Intel 65 nm, DRAM 90 nm)
Phase shift masks
[1]
29
Indem bei benachbarten Strukturen ein Phasensprung von 180° erzeugt wird, kann ein Nulldurchgang der Intensität erzwungen und damit eine deutlich bessere Auflösung erzielt werden.
PhasenschiebermaskeKonventionelle Maske
Maske
Amplitude an der Maske
Amplitude auf dem Substrat
Intensität auf dem Substrat
Phase shift masks
[1]
30
Eine einfache Art, die minimale Strukturbreite zu reduzieren, besteht darin, dass die Struktur in zwei Teilstrukturen zerlegt wird, welche dann jeweils mit der doppelten Strukturbreite auskommen . Derzeit sind eine Reihe Verfahren dafür in Entwicklung. Kritisch sind hierbei die Toleranzen.
Prinzip der Mehrfachbelichtung
Mehrfachbelichtung
[1]
31
self aligned spacer double expose, double etch
Double patterning
[1]
32
Durch die geschilderten Maßnahmen konnte der k1-Faktor immer weiter gesenkt werden. Heute werden Werte zwischen 0,3 und 0,4 erreicht. Ein Wert unterhalb von 0,25 ist gemäß dem Sparrow- Kriterium nicht möglich . Berücksichtigt man jedoch die Doppelbelichtung , so ist rein rechnerisch sogar ein Wert von 0,125 möglich.
Entwicklung des k 1 - Faktors über der Zeit
Auflösungserhöhung
[12]
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint
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Alignment coils
Anode
E-gun
Condenser lens
Scan coils
Aperture
Objective lens
200
µm
3 nm
50 pA
Electron beam
E-beam lithographie
[1]
35
CalixarenePMMAPoly-methyl-meth-acrylat
2.000 µC/cm² Area dose 250 µC /cm²
10 nm Resolution 60 nm
führen zu Vernetzungder Aromaten
Calixarene
e-
PMMA
e-
2
CH3
OCOCH 3
1 nm
Sekundärelektronen
5-20 eV
2
CH3
CH3
C
C O
O
Energiereiche Primär-u. Rückstreuelektronen
Durch Elektronenbeschuß
werden Kettenbrüche in den Makromolekülen
erzeugt. Polymerbruchstücke
sind leichter löslich. Bei Überdosierung kommt es zu einer Vernetzung
der in großer Zahl gebildeten Radikale.=> Bildumkehr positiv
=> negativ
negative Type positive
Niederenergetische
E-beam lithographie
[1]
36
Hair
E-Beam structure
Structure of the mask aligner
example
[1]
37
Schematics of a focused ion beam (FIB) column
Ions (e.g.Ga out of a LMIS) are accelerated to 5-50keV and focussed to the sample surface – result: Materials sputtering and amorphization
Focused Ion beam lithographie
[1]
38
Atomic force microscope image of topography in PMMA following FIB
exposure at 1pA beam current and a total irradiation time of 20 µs per feature.
Typical variation of feature size with distance of sample from focus position in FIB.
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 100 200 300 400
Depth of Focus (µµµµm)
Fea
ture
Bro
aden
ing
( µµ µµm
)
1.00 micronfeatures
0.25 micronfeatures
Focused Ion beam lithographie
[1]
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint
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Schemazeichnung der spiegelbasierten EUVL Projektion soptik. Zeiss Pressemitteilung 07.12.2005
StepperZeiss /ASML
Kollektor
Beleuchtungssystem
Abbildungsoptik
Extreme Ultra Violet Light – 13 nm
[1]
41
Spiegel für ein EUV System
Experimentelle EUV AnlageFür ein EUV- Lithographiesystem sind eine Reihe von Fragestellungen neu zu beantworten:
� Spiegeloptik aus Mo/Si
� Leistungsstarke und kompakte Plasmaquellen:
- Laserangeregte Plasmaquellen oder
- Entladungsangeregte Plasmaquellen
� Masken (Siehe Kapitel über Masken)
� Lacke
Extreme Ultra Violet Light
[2]
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Technique to create without complex optics small regular structures over big area by interference of two monochromatic laser beams
period given by wavelength and anglemin. periode λ/2
Nielsch et al., www.mpi-halle.de
Interference Lithographie
[1]
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Schematic of nanoimprinting lithography process.
Nanoimprint
[1]
44
Nielsch et al., www.mpi-halle.de
Nanoimprint - example
[1]
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Microprobes
Vorlesung „Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
analyzingmagnet
3.5 MV Singletronaccelerator (HVEE)
PIXE
SE
RBSSTIM
adapted from www.uni-leipzig.de/~nfp
•2-3 MeV He, H ions•standard RBS. PIXE chamber•additionally: NANOPROBE
•spatial resolution ~ 1µm•SE, PIXE, STIM, RBS capability•3D tomographie RBS, STIM
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Proton beam writing (Andrea et al., NIMB 2011)
Vorlesung „Halbleiterchemie - Technologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik
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InhaltEinführung / Grundlagen
Prozeß (Standard)BelichtungsverfahrenStepper/Scanner GeometrienJustagemarken
AuflösungserhöhungDUV Lithographie, ImmersionslithographieOff-Axis-BelichtungAperturdesignPhase-shift-masksMehrfachbelichtung/Double pattering
Direct writing techniquesElektronenstrahllithographieIonenstrahllithographie
Exotische VerfahrenEUV, Interferenzlithographie, Imprint Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
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Photolack
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