Institut für Angewandte Physik · Kondensor Kürzere Wellenlänge Maske “Off-Axis”-Belichtung...

Vorlesung „Halbleitertechnologie″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Institut für Angewandte Physik

Halbleitertechnologie

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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

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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

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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

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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

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[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:

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[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]

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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]

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•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]

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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]

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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]

42

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]

43

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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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