Нанотехнологии в микроэлектронике. Нанолитография - процессы и оборудование

В.Ю. КИРЕЕВ


НАНОТЕХНОЛОГИИ
В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ.
НАНОЛИТОГРАФИЯ ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ






Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2016

   В.Ю. Киреев
     Нанотехнологии в микроэлектронике. Нанолитография — процессы и оборудование: Учебно-справочное руководство / В.Ю. Киреев — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2016. — 320 с., цв. вкл.
     ISBN 978-5-91559-215-4

     В учебно-справочном руководстве проведен анализ возможностей, особенностей, ограничений и областей применения различных литографических и нелитографических методов наноструктурирования для создания топологии ИС с элементами субстонанометрового диапазона. Показаны основные физические и химические механизмы и ограничения, лежащие в основе оптической нанолитографии, нанолитографии на экстремальном ультрафиолете, наноимпринт литографии, электронной нанолитографии и вакуумного газоплазменного травления.
     Приведено современное производственное оборудование различных видов нанолитографии, его операционные и конструкционно-технологические параметры, технологические и экономические характеристики реализуемых процессов.
     Руководство для университетов с обучением по специальностям: 210601 «Нанотехнология в электронике», 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», 222900 «Нанотехнология и микросистемная техника», 210600 «Нанотехнология», 210100 «Электронное машиностроение», а также для инженеров и научных работников.








   ISBN 978-5-91559-215-4



                               © 2015, В.Ю. Киреев
                               © 2016, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ









    Оглавление...........................................3
    Список используемых сокращений.......................8
    Введение............................................15
    Глава 1
    ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, РОЛЬ И МЕСТО
    ПРОЦЕССОВ НАНОЛИТОГРАФИИ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАРШРУТАХ ПРОИЗВОДСТВА ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ,
    СХЕМ И СИСТЕМ С СУБСТАНАНОМЕТРОВЫМИ ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ.............................19

       1.1. Основные определения.........................19
       1.2. Стадии и этапы технологического маршрута, универсальный литографический цикл, технологическая подготовка производства...........25
       1.3. Характеристики интегральных схем............32
       1.4. Выход годных интегральных схем..............35

    Глава 2
    ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ПРОЦЕССОВ НАНОЛИТОГРАФИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ, СХЕМ И СИСТЕМ С СУБСТАНАНОМЕТРОВЫМИ
    ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ НОРМАМИ.............................47

       2.1. Нанотехнологии, нанообъекты и наносистемы...47
       2.2. Классификация процессов нанолитографии......52
       2.3. Нелитографические методы получения топологии наноструктур.......................................60
       2.4. Новые литографические методы получения топологии наноструктур.......................................66

—I Оглавление

    Глава 3
    ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ТЕХНИКИ (ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССОВ) ОПТИЧЕСКОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ. БАЗОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
    ПРОЦЕСС СОВРЕМЕННОЙ ФОТОЛИТОГРАФИИ.....................72

       3.1. Контраст (контрастность) фоторезистов .........75
       3.2. Классификация процессов фотолитографии по способам экспонирования топологического рисунка фотошаблонов.77
       3.3. Основные факторы, ограничивающие разрешение проекционной фотолитографии.........................80
       3.4. Когерентное и некогерентное освещение .........90
       3.5. Формирование и передача изображения топологического рисунка фотошаблона в слой фоторезиста.............93
       3.6. Разрешение оптической проекционной фотолитографии....................................100
       3.7. Основные характеристики систем фотолитографии..104

    Глава 4
    ТЕХНИКА ПОВЫШЕНИЯ РАЗРЕШЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ОПТИЧЕСКОЙ НАНОЛИТОГРАФИИ И ТЕНДЕНЦИИ ИХ РАЗВИТИЯ ...........................................109

       4.1. Техника повышения разрешения фотолитографического процесса..........................................110
       4.2. Международные прогнозы развития литографии.....115
       4.3. Литография на экстремальном ультрафиолетовом излучении (ЭУФ-литография)..........................120
       4.4. Сравнительная стоимость и области применения литографических систем..............................126

    Глава 5
    ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ
    ПРИНЦИПЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ, ЛЕЖАЩИЕ
    В ОСНОВЕ ТЕХНИКИ (ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССОВ) НАНОИМПРИНТ-ЛИТОГРАФИИ. БАЗОВЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ И СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ НАНОИМПРИНТ-ЛИТОГРАФИИ....................128

       5.1. Классификация процессов наноимпринт-литографии.128
       5.2. Технология формирования топологического рисунка в наноштампе......................................135

Оглавление —' у- 5

   5.3. Варианты процессов S-FIL-наноимпринт-литографии.137
   5.4. Промышленное оборудование S-FIL-наноимпринт-литографии.......................141

Глава 6
ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ
И ОГРАНИЧЕНИЯ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ТЕХНИКИ
(ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССОВ) ЭЛЕКТРОННОЙ
ЛИТОГРАФИИ. СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛИТОГРАФИИ...............................145

   6.1. Проекционная электронная литография..........147
   6.2. Сканирующая электронная литография...........153
   6.3. Промышленные системы сканирующей электронной литографии.........................................164
   6.4. Сканирующая многолучевая бесшаблонная электронная литография.............................166

Глава 7
БАЗОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МАРШРУТЫ И ОБОРУДОВАНИЕ УЧАСТКОВ НАНОЛИТОГРАФИИ.
ОПЕРАЦИОННЫЕ И КОНСТРУКЦИОННОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОБОРУДОВАНИЯ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЕРАЦИЙ НАНОЛИТОГРАФИИ И ПАРАМЕТРЫ СТРУКТУР..................171

   7.1. Базовые технологические маршруты и комплекты оборудования участков нанолитографии..............171
   7.2. Параметры технологического оборудования......176
   7.3. Технологические характеристики операций нанолитографии при обработке пластин (функциональных слоев на пластинах)...............179
   7.4. Параметры входных (поступающих на операции нанолитографии) и выходных (выходящих с операций нанолитографии) структур..........................182
   7.5. Оборудование для нанесения, проявления и термообработки слоев фоторезистов и электронорезистов, а также адгезионных, планаризирующих и антиотражающих покрытий..........187
   7.6. Оборудование совмещения топологии и экспонирование слоев фоторезистов.................................199

—Оглавление

   7.7. Оборудование для реализации вакуумно-плазменных процессов проявления, зачистки, удаления и травления маскирующих покрытий
       и функциональных слоев...........................209
   7.8. Оборудование для контроля дефектности, топологии и размеров элементов маскирующих покрытий
       и функциональных слоев...........................212

Глава 8
ОСНОВНЫЕ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ИЗДЕЛИЯ И МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОБОРУДОВАНИИ И ТЕХНОЛОГИИ (ТЕХНИКЕ) НАНОЛИТОГРАФИИ, И ТЕХНИЧЕСКИЕ
ТРЕБОВАНИЯ К НИМ........................................217

   8.1. Виды фотошаблонов, их структура и технические требования к ним...................................217
   8.2. Производство фотошаблонов.......................228
   8.3. Структура наноштампов и технологический процесс их изготовления....................................234
   8.4. Основные материалы, используемые в оборудовании и технологии нанолитографии........................237
   8.5. Фоторезисты, электронорезисты и рентгенорезисты.237
   8.6. Антиотражающие покрытия.........................246

Глава 9
ПРОЦЕССЫ И ОБОРУДОВАНИЕ РАЗМЕРНОГО ТРАВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СЛОЕВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
МАРШРУТАХ НАНОЛИТОГРАФИИ................................254

   9.1. Классификация процессов размерного травления материалов.........................................254
   9.2. Спонтанное химическое травление материалов......258
   9.3. Ионное травление материалов физическим распылением .......................................266
   9.4. Ионное травление химически модифицированным физическим распылением материалов..................275
   9.5. Радиационно-стимулированное химическое травление материалов.........................................276
   9.6. Радиационно-возбуждаемое химическое травление материалов.........................................279

Оглавление —'\r      7

    9.7. Состав и параметры оборудования вакуумного газоплазменного травления функциональных слоев.......283
    9.8. Влияние органических защитных масок
        на технологические характеристики процессов размерного вакуумного газоплазменного травления функциональных слоев.............................296

Глава 10
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ НАНОЛИТОГРАФИИ............................299

   10.1. Повышение энергетической эффективности процессов и оборудования нанолитографии...............299
   10.2. Уменьшение количества литографических операций в технологических процессах производства интегральных наносхем и наноприборов..................303
   10.3. Реализация интеграции новых процессов нанолитографии........................................308

Литература...............................................314

                список




            ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ








AFM  --- (atomic force microscope) (ACM) атомный силовой микроскоп    
AR   --- (aspect ratio) (аспектное отношение) отношение глубины       
     структуры к ее ширине или диаметру                               
ASIC --- (application specific integral circuit) заказная интегральная
     схема                                                            
BARC --- (bottom antireflective coating) антиотражающее покрытие (АОП)
BEOL --- (back-end of line) металлизационная часть (M4) техноло-      
     гического маршрута изготовления кристаллов интеграль-            
     ных схем                                                         
CAD  --- (computer aided design) система автоматизированного про-     
     ектирования (САПР)                                               
CD   --- (critical dimension) критический размер                      
CMOS --- [technology on complimentary metal-oxide-semiconductor (MOS) 
     transistors] технология на дополняющих металл---окисел---        
     полупроводник (МОП) транзисторах (технология КМОП)               
CMP  --- (chemical mechanic planarization) химико-механическая пла-   
     наризация (ХМП)                                                  
CNT  --- (carbon nanotube) углеродная нанотрубка (УНТ)                
COO  --- (cost of ownership) себестоимость                            
CP   --- (cell projection) метод проецирования топологических ячеек   
CVD  --- (chemical vapor deposition) химическое осаждение из газо-    
     вой фазы (ХОГФ)                                                  
DEM  --- (dimensional etching materials) размерное травление мате-    
     риалов (РТМ)                                                     
DDL  --- (double dipole lithography) литография с вне осевым осве-    
     щением из источника в виде двойного диполя                       

                               Список используемых сокращений ---9
DDP --- (dual damascene process) двойной дамасский процесс фор-   
    мирования медной металлизации                                 
DFM --- (design for manufacturing) проектирование для производства
DoF --- (deep of focus) глубина фокуса                            
DPP --- (discharge produced plasma) плазма, генерируемая газовым  
    разрядом                                                      

DRAM — (dynamic random access memory) динамическое оператив
    ное запоминающее устройство (ДОЗУ)                
DUV --- (deep ultraviolet) глубокий ультрафиолет (ГУФ)

EBDW lithography — (e-beam direct'write lithography или SEBL — scanning

    electron beam lithography) сканирующая электроннолучевая      
    литография (СЭЛЛ)                                             
ECR --- (electron cyclotron resonance) электронный циклотронный   
    резонанс (ЭЦР)                                                
EDA --- (electronic design automation) система автоматизированного
    проектирования (САПР)                                         

EPI silicon wafer — эпитаксиальная кремниевая пластина

EUV  --- (extremal ultraviolet) экстремальный ультрафиолет (ЭУФ)   
FEOL --- (front-end of line) транзисторная часть (ТЧ) технологиче- 
     ского маршрута изготовления кристаллов интегральных           
     схем                                                          
FIB  --- (focused ion beam) фокусированный ионный пучок (ФИП)      
GSB  --- (gaussian spot beam) электронный пучкок круглого сече-    
     ния с гауссовым распределением плотности тока по сече-        
     нию пучка (КГЭ-пучок)                                         
GSI  --- (gigantic scale integration) гигантская степень интеграции
HDP  --- (high density plasma) плазма высокой плотности заряжен-   
     ных частиц                                                    

HED plasma — (high energy density plasma) плазма с высокой плотно
    стью энергии                                                
HEL --- (hot embossing lithography) наноимпринт-литография (НИЛ)
    с горячей штамповкой                                        

HMDS — (hexamethyldisilazane) гексаметилдисилазан (ГМДС)

IC --- (integral circuit) интегральная схема (ИС)

—Список используемых сокращений

    ICP — (inductive coupled plasma) индукционно-связанная плазма (ИСП)
    IMD — (inter metal dielectric) интерметаллический (между слоями металла) диэлектрик (ИМД)
    IMT — (interference mapping technology) технология интерференционной карты
    IP block — (intellectual property block) сложный функциональный блок (СФ)
    IPL — (ion projection lithography) ионная проекционная литография (ИПЛ)
    ITO film — (indium tin oxide film) пленка оксидов индия и олова
    ITRS — (the International Technology Roadmap for Semiconductors) международный технологический прогноз в области полупроводникового производства
    LDD — (lightly doped drain) слабо (низко) легированная область стока МОП-транзистора
    LOL — (lift-off layer) специальный легко удаляемый в растворах слой для «взрывной» литографии
    LOR — (lift-off resist) специальный легко удаляемый в растворах резист для «взрывной» литографии
    LPP — (laser produced plasma) плазма, генерируемая излучением лазера
    LSI — (large scale integration) большая степень интеграции MDP — (medium density plasma) плазма средней плотности MDPR — (Mask Data Preparation) подготовка управляющей информации для изготовления фотошаблона
    MEMS — (microelectromechanical system) микроэлектромеханическая система (МЭМС)
    ML lithography или ML2 — (maskless lithography) сканирующая многолучевая электронная литографии без использования шаблона (бесшаблонная литография) (СМЛЭЛ) или многолучевая бесшаблонная электронная литография (МБЭ)
    MPU — (microprocessor unit) микропроцессор (МП)
    MRC — (Manufacture Rule Check) конструктивно-технологические ограничения