Совершенствование элементов технологии производства микросхем методом литографии с целью улучшения эксплуатационных свойств

ВВЕДЕНИЕ

Прогрессивный характер развития современной микроэлектроники связан, прежде всего, с уменьшением характерных размеров элементов интегральных микросхем. Результатом повышения интеграции микросхем является увеличение быстродействия, уменьшение энергопотребления и стоимости производства, повышается миниатюризация электронных схем.
Литография является одним из ключевых технологических процессов современного производства ИМС, вносящих наибольший вклад в производственные затраты. Для производства интегральных схем в основном используется технология проекционной оптической фотолитографии. Технология процесса такова, что изображение фотошаблона (маски) переносится на кремневую пластину, покрытую фоточувствительным слоем (фоторезистом). Обрабатывание засвеченного фоторезиста ведет к формированию заданных элементов интегральных микросхем на подложке. В современном литографическом цикле источником излучения для фотолитографии используются эксимерные АгF лазеры с длиной волны излучения l 193 нм. При помощи такого источника возможно получение интегральных микросхем с характерными размерами элементов до 45-65 нм.
Для дальнейшей миниатюризации элементов интегральных схем можно воспользоваться источником излучения с меньшей длиной волны, например эксимерным лазером с l157 нм. Однако такое излучение будет сильно поглощаться традиционными оптическими материалами и даже газом между элементами оптической системы.
Следующим способом является в использование иммерсионной литографии, когда использование жидкости с большим коэффициентом преломления позволяет добиться увеличения разрешения оптической системы. Так, использование воды с коэффициентом преломления 1,43 приводит к уменьшению характерных размеров элементов интегральных схем до 32-5 нм. Однако, получение нетоксичных жидкостей, плохо поглощающих излучение с l 193 нм, с еще большим коэффициентом преломления, и соответствующего им фоторезиста, встречает значительные трудности.
Для дальнейшего усовершенствования технологий микроэлектроники, приобретает актуальность создание нового поколения промышленных литографических систем. Такими обозримыми альтернативами стали следующие технологии:
• электронно-пучковая проекционная литография (ЭПП)
• ионно-пучковая проекционная литография (ИПП)
• рентгеновская литография (РЛ)
• экстремальная ультрафиолетовая литография (ЭУФ).
Наиболее перспективной из них считается ЭУФ литография, использующая излучение с l 11,8–13,4 нм, по следующим причинам:
• ЭУФ позволит обеспечить большую производительность, чем другие альтернативные технологии, вследствие отсутствия стохастического кулоновского взаимодействия, которое связывает производительность литографической системы и ее разрешение.
• ЭУФ по сравнению с РЛ, является уменьшающей проекционной технологией, что существенно ослабляет требования к маске.
• ЭУФ продолжает технологию проекционной оптической фотолитографии и основывается на ее технологической базе.
Одной из ключевых проблем ЭУФ литографии является создание интенсивного ЭУФ источника с высокой средней мощностью излучения.
Целью дипломного проекта являлся анализ возможностей ЭУФ литографии как альтернативного способа получения изображения элементов микросхемы, способного привести не только к увеличению интеграции ИМС, но к повышению их быстродействия.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:
• Проанализировать перспективы технологии создания ИМС. Обосновать существующий «кризис» в микроэлектронике
• Рассмотреть особенности технологии создания ИМС и возможность перехода к новым литографическим технологиям.
• Изучить принцип работы ЭУФ нанолитографа и выявить преимущества и недостатки ЭУФ литографии.
• Сделать обзор первых результатов полученных с помощью существующих нанолитографов.
• Оценить экономическую эффективность создания современного ЭУФ нанолитографа на примере разработок в ФТИ им. А. Ф. Иоффе.
• Проанализировать безопасность и экологичность ЭУФ технологии.
•

Введение 6
1 Технологии и оборудование для производства ИМС 9
1.1 Исторические тенденции и прогноз развития ИМС. Скрытый кризис микроэлектроники 9
1.2 Особенности технологического процесса изготовления ИМС 16
1.3 Анализ возможностей повышения интеграции ИМС с помощью перехода к новым методам фотолитографии 28
2 ЭУФ литография как альтернатива обеспечения дальнейшего прогресса микроэлектроники 33
2.1 Перспективы создания и применения ЭУФ нанолитографа 33
2.2 Принцип работы ЭУФ литографической системы. Преимущества и недостатки ЭУФ литографии 37
3 Формирование наноструктур на стенде ЭУФ- литографа. Первые результаты 52
4 Безопасность и экологичность проекта 58
4.1 Анализ опасных и вредных факторов 58
4.2 Обеспечение безопасности труда (мероприятия, рекомендации, общие и индивидуальные средства защиты) 60
4.3 Охрана окружающей среды (отходы, загрязнение окружающей среды) 61
4.4 Предупреждение и ликвидация ЧС 62
5 Оценка экономической эффективности создания экспериментального ЭУФ нанолитографа, разработанного в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН 63
Заключение 73
Список использованных источников 75
Приложение А. Презентация 80

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, в процессе дипломной работы, был проведен анализ перспективных технологий для перехода к размерам элементов ИМС нанометрового диапазона. Как было показано, поиск таких альтернатив обусловлен ограниченностью возможностей оптических систем фотолитографических установок, связанных с дифракционным пределом. Поэтому для дальнейшего ускорения темпов развития микроэлектроники и повышению интеграции и быстродействия ИМС необходимо создание нового поколения литографических систем. В дипломной работе показано и обосновано, что фотолитографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (ЭУФ литография) является наиболее привлекательной проекционной технологией, которая использует излучение с длиной волны 13,5 нм. Именно здесь, в последнее время, достигнут заметный прогресс при создании отражательных оптических элементов и высокоэффективных источников излучения. Источником ЭУФ излучения обычно является лазерная плазма, генерируемая импульсным частотным лазером, сфокусированным на мишень или сильноточным разрядом в газе. В работе показано, что одна из основных проблем, не позволяющих до настоящего времени достичь требуемого уровня мощности ЭУФ излучения, является эрозия электродов и изоляторов разрядной камеры под воздействием мощных тепловых потоков и бомбардировки быстрыми ионами. В следствии этого поверхность зеркал загрязняется продуктами этой эрозии и коэффициенты отражения зеркал падают на порядки величин.
В данной дипломной работе приводится обзор разработок современных ЭУФ литографических систем не только зарубежных фирм, но и отечественных научных коллективов. Сделан акцент на технологических особенностях российских установок, рассматривается технологические решения для устранения недостатков связанных с источником ЭУФ излучения и оптической системы.
Сделана попытка оценить экономическую эффективность от создания ЭУФ нанолитографа на примере разработок в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Приведены стоимостные оценки необходимых инвестиции для создания ЭУФ стенда. Определены размеры чистого дисконтированного дохода NPV, который составил 129 584 тыс. руб. при условии что нанолитограф будет продан через 3 года, сразу после его изготовления. Посчитана внутренняя норма доходности IRR равная 36 %, что говорит о о доходности инновационного проекта по созданию ЭУФ нанолитографа.
В работе составлен перечень опасных факторов связанных с работой на установке ЭУФ нанолитографа, и предложены мероприятия по охране и безопасности труда рабочего персонала. Также сделан акцент на экологичности ИМС производимых с помощью ЭУФ литографии.

Wolf S. Silicon Processing for the VLSI Era. Vol. 2 – Process Integration.– Lattice Press: Sunset Beach, CA, USA, 1990.– 752 p.
2. Ning T.H. CMOS in the New Millennium. – Semiconductor Fabtech. – 13th Edition, ICG Publishing Ltd., London, UK, 2001, p. 287–295.
3. The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 ed.– Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.
4. The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997 ed.–Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.
5. The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 ed.– Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.
6. The National Technology Roadmap for Semiconductors, 1997 ed.–Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.
7. The International Technology Roadmap for Semiconductors, 2001 ed.– Semiconductor Industry Association, San Jose, CA.
8. Solid State Technology, April, 2001, p.20.
9. S.M.Sze. VLSI technology Owerviews and Trends. In: Proc. of the 14_th Conf. on Solid State Devices, Tokyo,1982; Jap. J. of Appl. Phys., V.22 (1983) Suppl.22_1, pp.3_10
10. Kawamato E., KimuraK., Nakazato J. et al. Yhe Outlook for Semiconductor Processes and Manufacturing Technologies in the 0.1-mm Age.–Hitachi Review, 1999, v.48, N6, p.334–339.
11. Microlithogaphy: Science and Technology/edited by J.R.Sheats and B.W.Smith. Marcell Dekker Inc., N.Y., USA, 1998.– 780 p.
12. Sytsma A., Loan H., Moers M. et al. Improved Imaging Metrology Needed for Advanced Lithogaphy.– Semiconductor International, April, 2001,90.
13. Derbyshire K. Next-Generation Lithography: Beyond 100 nm. – Semiconductor Magazine, Sept., 2001, p.43–45.
14. Microlithogaphy: Science and Technology/edited by J.R.Sheats and B.W.Smith. Marcell Dekker Inc., N.Y., USA, 1998.– 780 p.
15. Microlithogaphy: Science and Technology/edited by J.R.Sheats and B.W.Smith. Marcell Dekker Inc., N.Y., USA, 1998.– 780 p.
16. Sharan A., Ballingall J. Speeding the Transition to Sub-wavelength Silicon –Semiconductor Magazine, July, 2001, p.87–98.
17. Derbyshire K. Next-Generation Lithography: Beyond 100 nm. –Semiconductor Magazine, Sept., 2001, p.43–45.
18. Seidel P., Canning J., Mackay S. et al. Next Generation Advanced Lithography –Semiconductor Fabtech–7-th Edition.– ICG Publishing Ltd., London, UK, 1998, p.147–171.
19. Ware P. Next Generation Lithography: What’s Really Next?– New Direction in Lithography, 1999.– FSI International, Inc., p.16–22.
20. Haavind R. Economic will dictate the Future.– Solid State Technology, Aug., 2001, p.14.
21. Seidel P., Canning J., Mackay S. et al. Next Generation Advanced Lithography –Semiconductor Fabtech–7-th Edition.– ICG Publishing Ltd., London, UK, 1998, p.147–171.
22. Ware P. Next Generation Lithography: What’s Really Next– New Direction in Lithography, 1999.– FSI International, Inc., p.16–22.
23. Haavind R. Economic will dictate the Future.– Solid State Technology, Aug., 2001, p.14
24. Next-generation litho Progress, Innovative Technologies at MRS. – Solid State Technology, Feb., 2001, p.32.
25. Roush W. EUV Edging Out Revals as Next Generation IC Fab Tool.– IEEE Spectrum, June, 2001, p.25–26.
26. Colburn M., Bailey T., Choi B.J. et al. Development and Advanteges of Step-and-Flash Lithography.–Solid State Technology, July, 2001, p.67–68.
27. Braun A. Semiconductor International, 2.11.2009
28. http://www. intel.com.
29. Deffree S. Electronic News, 10.27.2008, www.smics.com.
30. Wilson R. Samsung intros 32Gbyte card using 30nm NAND chips.http:// www.electronicsweekly.com .
31. http://www.edn.com.
32. http://www.electronicsweekly.com.
33. http://www.globalspec.com/FeaturedProducts
34. http://www.semiconductor.net
35. Гапонов С.В. Работы в области проекционной EUV- литографии в рамках российской программы. // С.В.Гапонов Материалы симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2005. – Нижний Новгород: ИФМ РАН , 2005, Т. 10.
36. Chkhalo N.I. et al. Manufacturing and investigation of objective lens for ultrahigh resolution lithography facilities. – Proc.SPIE, 2008, v.7025. 11.
37. Bibishkin, M. S. et al. Multilayer Zr/Si filters for EUV lithography and for radiation source metrology. – Proc. SPIE, 2008, v.7025.
38. Chkhalo, N. I. et al. Correction of the EUV mirror substrate shape by ion beam. – Proc. SPIE, 2008, v.7025. 13.
39. Салащенко Н.Н. Коротковолновая проекционная литография.– Вестник РАН 2008, т.78, №5.
40. Клюенков Е.Б. Работы по созданию и аттестации рентгенооптических элементов и систем сверхвысоко- го разрешения в ИФМ РАН. // Е.Б.Клюенков Изв.РАН . Сер. физическая. 2009. Т.1.
41. Аверкин С.Т. Разработка низкотемпературных плазмохимических процессов и серии плазменных установок для микро- и нанотехнологий. // С.Т.Аверкин. Труды ФТИАН «Квантовые компьютеры, микро- и наноэлектроника», 2005, Т. 18.
42. Сейсян Р. Нанолитография СБИС в экстремально дальнем вакуумном ультрафиолете (Обзор). // Р.Сейсян. Журнал технической физики, 2005, Т. 75.
43. Kim D., Cha D., Lee S. // Jap. J. Appl. Phys. 1998. Vol. 37. P. 2728.
44. Салащенко Н.Н. Работы в области микроэлектроники. // Н.Н.Салащенко. Материалы Всероссийского совещания «Рентгеновская отпика». Нижний Новгород, 1998. С. 53–57.
45. http://www.asml.com
46. O’Sullivan G., Dunne P. // Proc. EUVL Source Workshop. Dallas, 2002.
47. The Proceedings of EUVL Source Workshop. Dallas, 2002.
48. Борисов В.М. Работы в области нанотехнологий. // В.М. Борисов. Материалы Всероссийского совещания „Рентгеновская отпика“. Нижний Новгород, 2003. С. 124–130
49. The Proceedings of EUVL Source Workshop. Dallas, 2002.
50. O’Sullivan G., Dunne P. // Proc. EUVL Source Workshop. Dallas, 2002.
51. The Proceedings of EUVL Source Workshop. Dallas, 2002.
52. Tichenor D.A., Cubiak G.D., Malinovski M.E., Stulen R.H. et al. // Proc. SPIE, Development of a Laboratory ExtremeUltraviolet Lithography Tool. Vol. 2194. P. 95–105.
53. Horiike Y. Доклад о новой Японской программе работ по EUVL, Международный симпозиум по нанотехнологиям. СПб.: ФТИ, 2002.
54. Dinger U., Eisert F., Lasser H. et al. // SPIE PRO. 2000. Vol 4.0.
55. Bjorkholm J.E. // Intel Technology Journal. Q3’98. P. 1–8.
56. Horiike Y. Доклад о новой Японской программе работ по EUVL, Международный симпозиум по нанотехнологиям. СПб.: ФТИ, 2002.
57. Dinger U., Eisert F., Lasser H. et al. // SPIE PRO. 2000. Vol 4.0.]
58. Ulrich W., Beiersdorfer S., Mann H.-J. // SPIE UC. 2000. Vol. 4.1.
59. Bjorkholm J.E. // Intel Technology Journal. Q3’98. P. 1–8.
60. Matsuzawa N., Irie S., Yano E., Okazaki S., Ishitani A. // Theoretical Calculations of Photoabsorption of Polymers in the EUV (Extreme Ultraviolet) Region. SPIE Proc. 2001. Vol. 4343. P. 278–284.
61. Бараш Е.Г., Кабин А.Ю., Любин В.М., Сейсян Р.П. // ЖТФ. 1992. Т. 62. Вып. 3. С. 106–113.
62. Wagner Ch, Harned N Nature Photon. 4 24 (2010)
63. Wood O et al. Proc. SPIE 7271 727104 (2009) 97. Tawarayama K et al. Jpn. J. Appl. Phys. 48 06FA02 (2009)
64. Wood O et al. Proc. SPIE 7271 727104 (2009)
65. http://www.electroiq.com/articles /photolithography-microsteppers.html
66. Волгунов Д.Г. и др. Изв. РАН. Cep. физ. 75 54(2011)
67. Зуев С Ю И Др. Изв. РАН. Сер. физ. 75 61 (2011)
68. Tsarfati T ет а1. Thin Solid Films 518 1365 (2009) 461 (2009)
69. ASML Images, Spring Edition 2008, p.8-9