MIKROLITOGRAFIYa (Лекции Цветкова)

МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕКРИТИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМОсновным и, по сути, единственным массовым объектом современныхнанотехнологий являются изделия микроэлектроники - полупроводниковыеинтегральные микросхемы (ИС).В развитии микроэлектроники четко прослеживаются временные циклы,характеризующие ее переход на новый уровень технологии. Наличие таких цикловпредсказал еще в 1965 г. один из основателей фирмы Intel Гордон Мур.Обычно для оценки современного уровня микроэлектронной технологиииспользуют параметры наиболее распространенных микросхем - микропроцессоров исхем памяти.

В соответствии с современной версией эмпирического закона Мурафункциональные возможности схем памяти (объем или число ячеек памяти) имикропроцессоров (число транзисторов и быстродействие) удваиваются каждые два года.Количественно уровень технологии микроэлектроники определяетсятопологической нормой. Этот параметр различается по физическому смыслу дляразличных изделий микроэлектроники.Так, до начала 90-х годов самыми передовыми в технологическом планеизделиями 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).Конструкция современных интегральных схем предусматривает, как правило,многослойную металлизацию. Решетка контактов, непосредственно примыкающие кактивным элементам схемы (первый уровень металлизации), имеет минимальный шаг вданной микросхеме (рис. 1, в).абвгРис. 1. Интегральная схема памятиа - общая топология, б - дорожки адресных шин,в – металлические контакты первого уровня,г - линия, промежуток и шаг регулярной структурыПоэтому полушаг решетки адресных дорожек с контактами первого уровняметаллизации традиционно используется в качестве топологической нормы,характеризующей плотность упаковки элементов на кристалле.Заметим, что шаг P решетки (pitch) складывается из ширины L дорожки (line) ипромежутка 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 регулярнойструктурыВ структурах в микропроцессоров, технология которых в последние десятилетияразвивается ускоренными темпами, в качестве топологической нормы также можетиспользоваться полушаг регулярных структур.Его уменьшение, например с 180 до 130 нм при сохранении функциональныхвозможностей микропроцессора уменьшает его площадь на 45% (рис. 2). Дальнейшееуменьшение топологической нормы до 90 нм позволяет в исходных габаритахсформировать двухядерный микропроцессор, а доведя полушаг до 65 нм – еще иуменьшить габариты на со 194 до 125 мм2.абРис.

2. Влияние топологических норм на габариты ИСа - уменьшение с 180 до 130 нм, б – уменьшение с 130 до 90 нмРис. 3. Критические размеры в МОП транзистореа - шаг 168 нм и длина затора 40 нм, б – шаг 190 нм и длина затора 25 нм.Однако в данном случае промежутки в таких структурах обычно существеннопревышают размеры отдельных элементов (рис. 3).Поэтому в производстве микропроцессоров в качестве параметра уровнятехнологии чаще используют минимальный размер элемента (CD – critical dimension). Имобычно является длина затвора МОП (Металл-Оксид-Полупроводник) транзисторов – нарис. 3 она составляет, соответственно, 40 и 25 нм.МИКРО- И НАНОТЕХНОЛОГИИ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕМикросхемы на основе МОП-транзисторов нашли наиболее широкое применение вустройствах вычислительной техники и мобильных коммуникаций, поэтому в последниедесятилетия они развиваются наиболее быстрыми темпами.Современные микропроцессоры на основе МОП ИС обычно построены на основекомлементарных КМОП структур, т.е.

включают пару p-МОП и n-МОП транзисторов(рис. 4).Рис. 4. Структура КМОП ИСРазмеры элементов микропроцессоров уже сейчас составляют 45-60 нм, при этомтребования к их размерной точности и совмещаемости не превышают единиц нанометров(см. табл. 1)Таблица 1Состояние и прогноз развития параметров микропроцессоровГод выпуска200720082009201020112012201320142015Полушаг, нм655750454036322825Контакты врезисте, нм847364565044393531Контакты послетравления, нмСовмещаемость(3), нм77675851454036322813,011,310,09,08,07,16,45,75,1Длина затворав резисте, нм847364565044393531Длина затворапосле травления,нм7767585145403632282,62,32,11,91,71,51,31,21,0Размернаяпогрешностьпосле травления(3), нм.Укрупнено в технологическом процессе КМОП ИС с нанометровыми размерамиэлементов 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 вповерхностном слое пластины области с заданными электро-физическими свойствами.Формируемые области часто имеют габариты в десятки, а толщину – в единицынанометров.В связи с этим приведем определение нанотехнологий, предложенное академикомЮ.Д.Третьяковым: «нанотехнологии — это совокупность процессов, позволяющихсоздавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которыхопределяется, в первую очередь, наноструктурой, то есть фрагментами структурыразмером от 1 до 100 нанометров».Современные технологии создания КМОП структур вполне соответствуют этомуопределению.

Действительно, размеры элементов структур в горизонтальной плоскостиуже сейчас значительно меньше 100 нм, а для формирования функциональных слоев вдиапазоне 1-100 нм используются элионные процессы. Эти процессы обеспечиваютуправляемое воздействие потоками фотонов, электронов, ионов на функциональные слоизаготовки и на атомарном и молекулярном уровне реализуют процессы осаждения,травления, легирования материалов.Таким образом, можно согласиться с мнением ведущих экспертов в этой области отом, что в 21 веке микроэлектроника превратилась в наноэлектронику.Таким образом, современные микротехнологии являются базой для разработкинантехнологиий, при этом граница между ними практически неразличима.В общем плане можно констатировать, что микро- и нанотехнологиипредставляют собой совокупность методов и технических средств (оборудования,инструментов, используемых материалов), применяемых для исследования, разработки ипроизводства сверхминиатюрных приборов и устройств, элементы которых имеют микрои 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 потоковсоздавать на поверхности заготовок проводящие и диэлектрические слои толщиной отнескольких нанометров до единиц микрометров.Рис.

5 Основные этапы микротехнологииНа втором этапе используется микролитография, которая позволяет локализоватьзоны воздействия на заготовку. Для этого на ее поверхность наносится тонкаячувствительная к актиничному излучению полимерная пленка (резист), которая затемэкспонируется через шаблон с требуемым рисунком (топологией). При последующемпроявлении происходит локальное удаление участков резиста, образуются окнатребуемых размеров и формы, через которые возможен доступ к поверхности заготовки(см.

рисунок). Окна в резисте, их размеры и профиль, должны отвечать чрезвычайножестким требованиям, поскольку они определяют качество третьего этапамикротехнологии.Третий этап — это микрообработка, которая обеспечивает локальное воздействиена заготовку: нанесение материала, легирование поверхности заготовки или еетравление. При микрообработке воздействие обрабатывающей среды ограничивается(локализуется) окнами в резисте. Арсенал современных методов микрообработки весьмаширок. Для локального нанесения могут использоваться уже упомянутые методыэлионных технологий, например вакуумное напыление, химическое осаждение изпаровой фазы, а также гальваническое наращивание.Локальное легирование проводится методами диффузии из парогазовой смеси илиионным легированием.Локальное травление (изотропное или анизотропное) выполняется жидкостнымитравителями или с использованием плазменных методов, создающих требуемыйпрофиль микроструктур.Важной особенностью микротехнологии является групповой метод обработки —за один цикл экспонирования формируются миллионы окон в пределах одного модуля назаготовке, а затем также одновременно через эти окна заготовка подвергаетсямикрообработке.Микротехнологии доведены до промышленного уровня, разработаны научнотехнологические основы производства микроструктур на основе групповой прецизионнойобработки.

В последнее время микротехнологии стали основой для массовогопроизводства изделий микроэлектроники с нанометровыми размерами, все болеесмыкаясь с нанотехнологиями.Уменьшение размеров элементов структур до нанометров может дать не толькоколичественное, 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 микроизделийфункции инструмента выполняют частицы — электроны, ионы, атомы и молекулыучаствующих в процессе веществ. В качестве среды обработки часто используют вакуум,парогазовые смеси, растворы реактивов.

Обработка часто ведется при высокойтемпературе, которая должна поддерживаться с очень высокой точностью.По этой причине микро- и нанотехнологии строятся на основе применения впроизводстве современных достижений фундаментальных наук.МИКРО- И НАНОЛИТОГРАФИЯСущность и основные этапы микролитографииМикролитография, выполняя роль универсального метода локализации групповоймикрообработки, является ключевым процессом микротехнологии.В зависимости от длины волны применяемого актиничного излучениямикролитография может быть реализована в виде фото -, рентгено- и электроно- илиионолитографии.Независимо от разновидности процесс микролитографии включает следующиеосновные этапы (рис.

): нанесение чувствительной к излучению полимерной пленки (резиста) назаготовку (пластину, подложку), экспонирование резиста через шаблон актиничным излучением. В результатеэтого в слое резиста образуется скрытое изображение рисунка шаблона. проявление, т.е. превращение скрытого изображения в рельеф в фоторезисте. Взависимости от типа используемого полимера при проявлении удаляютсяэкспонированные или неэкспонированные участки резиста.После сушки проявленного слоя проводится измерение и контроль размеровэлементов, точности их совмещения с элементами предыдущих слоев и ряда другихпараметров. Далее подложка подвергается дальнейшим операциям микрообработки:травлению, гальваническому наращиванию или ряду других.После завершения этих операций фоторезист удаляют.Таким образом, процесс микролитографии основан на изменении свойств резистапри экспонировании его соответствующим излучением.