פרופ ’ יוסי שחם המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית , אונ ’ ת”א .

1. טכנולוגיות ייצור חיבורי ביניים Interconnect manufacturing technologies עקרונות הייצור של שכבות דקות, ליתוגרפיה, מטרולוגיהובחינה לייצור חיבורי ביניים עבור תעשיית המוליכים למחצה פרופ’ יוסי שחם המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית, אונ’ ת”א.

3. נושאים • מבוא • ליתוגרפיה • איכול • שיקוע שכבות דקות • מטרולוגיה • בחינה

4. מבוא חדרים נקיים .

5. How Big of a Particle is Tolerable? – Example: 0.5 mm CMOS technology • Lateral Features: – pattern size = 0.5 mm – pattern tolerance = 0.15 mm – level-level registration = 0.15 mm • Vertical Features: – gate oxide thickness = 10 nm – field oxide thickness = 20 nm – film thickness = 250-500 nm – junction depths = 50-150 nm

6. Clean Room Air Filters • • High Efficiency Particulate Air (HEPA) Filters • – most common type of clean room air filter • – high efficiency, low pressure drop, good loading characteristics • – uses glass fibers in a paper-like medium • – are rated by their particle retention: • • A true HEPA-rated filter will retain 99.97 % of incident particles of • 0.3 mm or larger. (DEFINITION)

7. HEPA Filter Construction

8. Clean Room Class Ratings

9. Clean Room Class Ratings

10. Types of Cleanrooms - 4

11. Characteristics of Clean Rooms – Air is recirculated through HEPA filters with about 20 % make up. • Vapors are entrained, so contamination potential is very high • Extensive gas detection and alarm systems are installed – Temperature is controlled to 68 - 72 °F. – Humidity is controlled to 40 - 46 % RH. – Room is held at positive pressure • Typically 0.1 in of H2O for Class 100, 1000, and 10,000 • Typically 0.3 - 0.4 in of H2O for Class 1 and Class 10 • Positive pressure constantly blows dust OUT • (Biohazard rooms operate at negative pressure to keep bugs in) • Doors open inward, so room pressure closes them shut • 0.1 in H2O = 3.6 x 10 -3 psi = 0.52 lb/ft 2 • This produces 9.1 lbs. force on a 7’ x 30” door

12. בחדרים נקיים יש לבוד מיוחד • כללי התנהגות מיוחדים • רוב החדר הנקי הנו לציוד ייצור חיבורי ביניים כי שי הרבה שכבות מתכת • הפרוסות בשלב חיבורי הביניים נמצאות במצב המתקרב לעלות מכסימלית ולכן כל כשלון כואב יותר.

13. פוטוליתוגרפיה עקרונות הפעולה, המטרולוגיה, והבקרה של תהליכי הפוטוליתוגרפיה עבור ייצור חיבורי ביניים עבור מעגלים משולבים .

14. תוכן • עקרונות בסיסים • פרמטרים מאפיינים - עומק מוקד, חשיפה, רזולוציה, קונטרסט ועוד • טכניקות מדידה - מה מודדים ואיך • עקרונות בקרת תהליך הליתוגרפיה • נושאים חדשים בליתוגרפיה עבורULSI

15. עקרונות בסיסים • תאור הדמות ( Aerial Image) • תהליך החשיפה • תהליך הפיתוח • בקרת רוחב קו , בקרת ממד קריטי

16. מהי איכות הליתוגרפיה ? • איכות הפוטורזיסט לאחר החשיפה • בקרת רוחב קו, פרופילהרזיסט, רזולוציה, חלון התהליך • רגיסטרציה • תאימות לתהליך • התגדותלאיכול, יציבות תרמית, אדהזיה, תאימות כימית, היכולת להורדה • ייצוריות • מחיר, בטיחות, פגמים, יציבות, זמן חיי מדף.

17. ליתוגרפיה כתהליך העברת מידע מסכה תכנון דמות אופטית דמות סמויה בחומר הצילום פיתוח הדמות העתקת הדמות למעגל המשולב

18. מערכת החשיפה • מאירים את המסכה מצידה האחורי • האור עובר דרך המסכה ומתאבך • תמונת ההתאבכות נעה מהמסכה לעדשה • העדשה אוספת חלק מהגל המתאבך ויוצרת דמות משוחזרת במישור המוקד • יש אובדן מידע הנובע מהגודל הסופי של העדשה

19. יצירת הדמות - דוגמה הארה קוהרנטית מסכת קוורץ עם שכבת כרום ועליה פסים עם מרחק מחזור P q n חוקבראג:

20. מסכה עדשה בקוטרD ומרחק fמהמסכה מישור המוקד העדשה

21. מה קובע את הרזולוציה ? • הרזולוציה יחסית לאורך הגל, l • הרזולוציה משתפרת ככל שה- NA עולה - העדשה אוספת יותר מידע.

22. קונטרסט הדמות Intensity, I 1 Imax Imin 0

23. מגבלות הקונטרסט האופטי • מייצג רק מסכה עם פסים ורווחים שווים • לא שימושי לצורות גדולות • רגיש יותר ל-Iminמאשרהרזיסטעצמו • בעל קורלאציה נמוכה לאיכות הליתוגרפיה

24. הגדרת איכות הדמות • Image Log-Slope (ILS) ILS מוגדר כשיפוע הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות.

25. הגדרת איכות הדמות (2) • Normalized Image Log-Slope (NILS) NILS מוגדר כשיפועהמנורמל של הדמות, בסקלה לוגריתמית, בקצה הנומינלי של הדמות. W הנו רוחב הקו הנומינלי.

26. במה תלויה איכות הדמות? • הפרמטר המקובל הנו ה- NILS • הוא תלוי במרחק בין משטח המוקד האידיאלי למשטח הדמות האמיתית (הפרוסה). גודל זה קרוי ההסחה מהמוקד או ה- Defocus. NILS l=365 nm s=0.45, NA=0.5 p=1 mm (L=S) 6 3 0 Defocus [mm] 0 0.5 1.0 1.5

27. חלון התהליך של החשיפה • מרווח החשיפה - Process latitude • השינויים בעוצמת החשיפה גורמים לשינויים ברוחב הקו.

28. אפיון מרווח החשיפה • בדרך כלל הוא תלוי ב- NILS באופן ליניארי • NILS ניתן לחישוב בעזרת תכניות סימולציה • EL מדוד על פרוסה או מתוך סימולציה.

29. הגדרות • רזולוציה • הדמות הקטנה ביותר שתיתן ערך נתון שלILS , הגדול או שווה מערך נתון שלILS ,עבור תחום הגדרת מוקד מסוים. • עומק מוקד • תחום הסטייה ממשטח המוקד האידיאלי, שיתןILS הגדול או שווה מערך נתון שלILS, עבור דמות נתונה. ניתן להגדיר באופן דומה ביחס למרווח חשיפה (EL) נתון

30. אפיון מכשיר החשיפה - ה- Stepper • נתוני בחירה - NA, דרגת הקוהרנטיותs, אורך הגלl. • תאור המסכה - רוחב הקו, המחזור. • כמות הסטייה האפשרית מהמוקד המצטברת בתהליך החשיפה • הנחה בסיסית - הדמות הטובה ביותר תיתן את תהליך הליתוגרפיה הטוב ביותר.

31. התמונה הסמויה • הדמות האופטית פועלת על שכבה דקה של חומר רגיש לאור - פוטורזיסט • החומר מכיל תרכובת פעילה הקרויה: • PAC - Photo Active Compound • ריכוז הPAC מסומן כ - m - וזו התמונה הסמויה • מכפלת עוצמת ההארה (I) בזמן ההארה נותנת את אנרגיית החשיפה. • m הנו פונקציה של אנרגיית החשיפה

32. הקינטיקה שלריאקצית החשיפה • m - ריכוז ה- PAC • I - עוצמת האור • t - זמן ההארה • C - קבוע הקצב של החשיפה

33. בליעת האור בחומר הצילום • חומר הצילום בולע אור • הבליעה יחסית לריכוז ה- PAC

34. מאפייני הדמות הסמויה גרדיאנט הדמות הסמויה (LIG) דוגמה: פוטורזיסט עם בליעה קבועה (I לא תלוי זמן) • שיפוע התמונה הסמויה מכסימלי עבור m=0.37 • כאשר יש בליעה מקבלים ששיפוע התמונה הסמוי מכסימלי עבור 0.2 < m < 0.5

35. 1 10 100 1000 הקונטרסט של הפוטורזיסט עובירזיסט מנורמל 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 שיפוע - g E0 - אנרגית הסף להורדתהרזיסט E, אנרגית החשיפה[mJ/cm2]

36. הקונטרסט של הפוטורזיסט R = קצב הפיתוח ( בננומטרלשניה) E = אנרגית החשיפה [mJ/cm2]

37. פיתוח • פיתוח רטוב - הרזיסט מתאכלבמפתח בסיסי • קצב הפיתוח עולה כשריכוז ה- PAC יורד. חשיפה

38. סיכום ביניים תהליך פונקציה מאפיינת • יצירת תמונהILS, NILS • חשיפהגרדיאנט הדמות הסמויה • פיתוחגרדיאנט קצב הפיתוח • סה”כ התהליךמרווח החשיפה - Exposure latitude

39. אופטימיזציה של הליתוגרפיה • ILS הנו מדד טוב שכן הוא יחסי ל- EL • ILSתלוי בסטייה מהמוקד (Defocus) • הפרמטרים של הפיתוח והדמות הסמויה תלוייםברזיסט, במפתח, ובתהליכים הקשורים בהם. • האופטימום לחשיה יכול להימצא באופן ניסויי ע”י הרצת מטריצת חשיפה כנגד פיתוח עבור דמות ממוקדת היטב.

40. אופטימיזציה של הליתוגרפיה • הקונטרסט שלהרזיסטתלוי במטריצת החשיפה והפיתוח. • פיתוחהרזיסטהנו תהליך דו ממדי • הקונטרסט שלהרזיסטיכוללהמדדבמכשור מיוחד (שכנראה לא קיים בשוק יותר…)

41. בקרת רוחב הקו • מה קובע את יכולת בקרת התהליך ? • השגיאות האקראיות בתהליך הייצור • תגובת התהליך לשגיאות הללו

42. הגדרת מרווח החשיפה • מרווח החשיפה = רוחב הקו CD +10% CD CD-10% Nominal linewidth אנרגית החשיפה E(CD+10%) E(CD) E(CD-10%)

43. השפעת המצע • המצע מחזיר חלק מהאור ויוצר תבנית גלים עומדים ללא החזרות עם החזרות

44. ליתוגרפיה על מתכת • ההחזרה מהצד שלהרזיסט ~100% • יש בעיית גלים עומדים • השדה החשמלי ועוצמת ההארה נמוכים מאוד במשטח בין המתכתלרזיסט\בעית רזיסטלא מפותח בתחתיתהרזיסט - SCUM

45. גלים עומדיםבפוטרורזיסט • תנאי שפה על מתכת - שדה=0 • מניעה: חשיפה בכמהארכיגל - לא רלבנטי • חימוםהרזיסטלאחר החשיפה • שימוש ב שכבה אל-מחזירה - טיטניום ניטרידעל אלומיניום

46. פתרון לבעיית הגלים העומדים • הכנסת שכבה לא מחזירה • ARC - Anti Reflective Coating • דוגמה: • הוספת שכבת טיטניום-ניטריד (TiN ) מעל שכבת אלומיניום. • הוספת צבע בולעלרזיסט (פתרון מוגבל)

47. דרישות מהפוטורזיסט • רוחב קו - נומינלי 10%± • זווית צד > °80÷÷÷ ÷÷ • אובדןרזיסט < 10%

48. מציאת עומק מוקדאידאלי רוחב קו CD E עולה מיקום המוקד

49. עומק מוקד • עומק המוקד ( DOF ) - תחום המוקד שנותן את פרופילהרזיסטלפי הדרישות לרוחב קו נתון ועומד בדרישות של מרווח חשיפה נתון.

50. דוגמה: השגיאה במרחק המוקד שגיאות אקראיות • חימום העדשה 0.10 מיקרון • השפעת הסביבה 0.20 מיקרון • הטית המסכה 0.05 מיקרון • מישוריות המסכה 0.12 מיקרון • מישוריות הפרוסה 0.30 מיקרון • מישוריות המכשור 0.14 מיקרון • הדירות המכשיר 0.20 מיקרון • השגיאה בקביעתDOF 0.30 מיקרון • רעידות 0.10 מיקרון • סה”כ 0.60 מיקרון