1_1_Литографические методы в нанотехнологии (Лекции от Цветкова)

МИКРО- и НАНОТЕХНОЛОГИИ В МикроЭЛЕКТРОНИКЕ

критические размеры интегральных микросхем

Основным и, по сути, единственным массовым объектом современных нанотехнологий являются изделия микроэлектроники - полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

В развитии микроэлектроники четко прослеживаются временные циклы, характеризующие ее переход на новый уровень технологии. Наличие таких циклов предсказал еще в 1965 г. один из основателей фирмы Intel Гордон Мур.

Обычно для оценки современного уровня микроэлектронной технологии используют параметры наиболее распространенных микросхем - микропроцессоров и схем памяти. В соответствии с современной версией эмпирического закона Мура функциональные возможности схем памяти (объем или число ячеек памяти) и микропроцессоров (число транзисторов и быстродействие) удваиваются каждые два года.

Количественно уровень технологии микроэлектроники определяется топологической нормой. Этот параметр различается по физическому смыслу для различных изделий микроэлектроники.

Так, до начала 90-х годов самыми передовыми в технологическом плане изделиями были схемы памяти (рис. 1, а). В них адресные и разрядные шины (bit lines, word lines) формируются в виде регулярных структур – решеток (рис. 1, б).

К
онструкция современных интегральных схем предусматривает, как правило, многослойную металлизацию. Решетка контактов, непосредственно примыкающие к активным элементам схемы (первый уровень металлизации), имеет минимальный шаг в данной микросхеме (рис. 1, в).

Поэтому полушаг решетки адресных дорожек с контактами первого уровня металлизации традиционно используется в качестве топологической нормы, характеризующей плотность упаковки элементов на кристалле.

Заметим, что шаг P решетки (pitch) складывается из ширины L дорожки (line) и промежутка S (space) между ними (рис.1, г). В случае, когда L=S, полушаг (half pitch) этой решетки равен ширине дорожки (топологической линии.

Полушаг в полной мере характеризует плотность упаковки элементов регулярной структуры

В структурах в микропроцессоров, технология которых в последние десятилетия развивается ускоренными темпами, в качестве топологической нормы также может использоваться полушаг регулярных структур.

Е
го уменьшение, например с 180 до 130 нм при сохранении функциональных возможностей микропроцессора уменьшает его площадь на 45% (рис. 2). Дальнейшее уменьшение топологической нормы до 90 нм позволяет в исходных габаритах сформировать двухядерный микропроцессор, а доведя полушаг до 65 нм – еще и уменьшить габариты на со 194 до 125 мм².

Однако в данном случае промежутки в таких структурах обычно существенно превышают размеры отдельных элементов (рис. 3).

Поэтому в производстве микропроцессоров в качестве параметра уровня технологии чаще используют минимальный размер элемента (CD – critical dimension). Им обычно является длина затвора МОП (Металл-Оксид-Полупроводник) транзисторов – на рис. 3 она составляет, соответственно, 40 и 25 нм.

МИКРО- и нанотехнологии в микроэлектронике

Микросхемы на основе МОП-транзисторов нашли наиболее широкое применение в устройствах вычислительной техники и мобильных коммуникаций, поэтому в последние десятилетия они развиваются наиболее быстрыми темпами.

С
овременные микропроцессоры на основе МОП ИС обычно построены на основе комлементарных КМОП структур, т.е. включают пару p-МОП и n-МОП транзисторов (рис. 4).

Размеры элементов микропроцессоров уже сейчас составляют 45-60 нм, при этом требования к их размерной точности и совмещаемости не превышают единиц нанометров (см. табл. 1)

Таблица 1

Состояние и прогноз развития параметров микропроцессоров

.

Укрупнено в технологическом процессе КМОП ИС с нанометровыми размерами элементов можно ряд важных этапов. К их числу относятся формирование:

• изоляции между областями для p- и n- канальных транзисторов,

• карманов p- и n- типа,

• областей истока, стока и затвора,

• контактов к активным областям,

• многослойной металлизации.

Все эти этапы реализуются методами микротехнологий, создающими в поверхностном слое пластины области с заданными электро-физическими свойствами. Формируемые области часто имеют габариты в десятки, а толщину – в единицы нанометров.

В связи с этим приведем определение нанотехнологий, предложенное академиком Ю.Д.Третьяковым: «нанотехнологии — это совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется, в первую очередь, наноструктурой, то есть фрагментами структуры размером от 1 до 100 нанометров».

Современные технологии создания КМОП структур вполне соответствуют этому определению. Действительно, размеры элементов структур в горизонтальной плоскости уже сейчас значительно меньше 100 нм, а для формирования функциональных слоев в диапазоне 1-100 нм используются элионные процессы. Эти процессы обеспечивают управляемое воздействие потоками фотонов, электронов, ионов на функциональные слои заготовки и на атомарном и молекулярном уровне реализуют процессы осаждения, травления, легирования материалов.

Таким образом, можно согласиться с мнением ведущих экспертов в этой области о том, что в 21 веке микроэлектроника превратилась в наноэлектронику.

Таким образом, современные микротехнологии являются базой для разработки нантехнологиий, при этом граница между ними практически неразличима.

В общем плане можно констатировать, что микро- и нанотехнологии представляют собой совокупность методов и технических средств (оборудования, инструментов, используемых материалов), применяемых для исследования, разработки и производства сверхминиатюрных приборов и устройств, элементы которых имеют микро- и нанометровые размеры.

Микротехнология (см. рис. 5) включает следующие основные этапы:

• формирование на поверхности заготовки тонкого технологического слоя;

• создание на поверхности этого слоя защитной маски с локальными окнами;

• микрообработку технологического слоя через окна в маске.

Первый этап микротехнологии реализуется методами элионных технологий, позволяющих с помощью электронных, ионных, атомарных и молекулярных потоков создавать на поверхности заготовок проводящие и диэлектрические слои толщиной от нескольких нанометров до единиц микрометров.

На втором этапе используется микролитография, которая позволяет локализовать зоны воздействия на заготовку. Для этого на ее поверхность наносится тонкая чувствительная к актиничному излучению полимерная пленка (резист), которая затем экспонируется через шаблон с требуемым рисунком (топологией). П
ри последующем проявлении происходит локальное удаление участков резиста, образуются окна требуемых размеров и формы, через которые возможен доступ к поверхности заготовки (см. рисунок). Окна в резисте, их размеры и профиль, должны отвечать чрезвычайно жестким требованиям, поскольку они определяют качество третьего этапа микротехнологии.

Третий этап — это микрообработка, которая обеспечивает локальное воздействие на заготовку: нанесение материала, легирование поверхности заготовки или ее травление. При микрообработке воздействие обрабатывающей среды ограничивается (локализуется) окнами в резисте. Арсенал современных методов микрообработки весьма широк. Для локального нанесения могут использоваться уже упомянутые методы элионных технологий, например вакуумное напыление, химическое осаждение из паровой фазы, а также гальваническое наращивание.

Локальное легирование проводится методами диффузии из парогазовой смеси или ионным легированием.

Локальное травление (изотропное или анизотропное) выполняется жидкостными травителями или с использованием плазменных методов, создающих требуемый профиль микроструктур.

Важной особенностью микротехнологии является групповой метод обработки — за один цикл экспонирования формируются миллионы окон в пределах одного модуля на

заготовке, а затем также одновременно через эти окна заготовка подвергается микрообработке.

Микротехнологии доведены до промышленного уровня, разработаны научно-технологические основы производства микроструктур на основе групповой прецизионной обработки. В последнее время микротехнологии стали основой для массового производства изделий микроэлектроники с нанометровыми размерами, все более смыкаясь с нанотехнологиями.

Уменьшение размеров элементов структур до нанометров может дать не только количественное, но и качественное изменение изделий — их конструкции и параметров.

Как микро-, так и нанотехнологии основываются на совершенно иных принципах, нежели технологии, имеющие дело с макротелами. Так, при обработке микроизделий функции инструмента выполняют частицы — электроны, ионы, атомы и молекулы участвующих в процессе веществ. В качестве среды обработки часто используют вакуум, парогазовые смеси, растворы реактивов. Обработка часто ведется при высокой температуре, которая должна поддерживаться с очень высокой точностью.