Интегралдық схемалар фотолитографиясындағы ажыратымдылықты арттыру технологиялары

Кіріспе

Интегралды схемалардың фотолитографиясының бөлігі. Резолюцияны арттыру технологиялары – интегралды схемаларды (IC немесе "чиптер") жасау үшін қолданылатын литографиялық процестерде фотомаскаларды өзгерту арқылы проекция жүйелерінің оптикалық ажыратымдылығындағы шектеулерді жоюға бағытталған әдістер. Бұл процестер Рейли критерийі бойынша қалыпты жағдайда қолданылатын шектен асып түсетін элементтерді жасауға мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы технологиялар 5 нанометрге (нм) дейін елеулі кіші элементтерді жасауға мүмкіндік береді, бұл терең ультракөк сәулесін (DUV) пайдалану арқылы қол жеткізілетін қалыпты ажыратымдылықтан әлдеқайда төмен.

Өмірбаян

Интегралды схемалар фотолитография деп аталатын көп қадамды процесте жасалады. Бұл процесс КЖ схемасын кремний немесе басқа жартылай өткізгіш материалдың бетіне орнатылған қабаттар сериясы ретінде жобалаудан басталады. Соңғы дизайнның әрбір қабаты фотомаскаға түсіріледі, қазіргі заманғы жүйелерде жоғары тазартылған кварц шынысына салынған хромның жұқа сызықтарынан жасалады. Хром ультракүлгін сәулелерге жоғары мөлдір емес болғандықтан, ал кварц жарық көздерінің қатты жылуында жылулық кеңеюді шектейтін және ультракүлгін сәулелерге жоғары мөлдір болғандықтан қолданылады. Маска пластинканың үстіне қойылып, содан кейін қарқынды ультракүлгін сәуле көзіне шаралады. Маска мен пластинканың арасында тиісті оптикалық бейнелеу жүйесі (немесе маска пластинкаға жеткілікті жақын орналасқан болса, бейнелеу жүйесі болмайды, мысалы, ерте литография машиналарында) масканың бейнесі пластинка бетіндегі фоторезисттің жұқа қабатына түсіріледі. Жарыққа (УК немесе ЭУК) ұшыраған фоторезисттің бөлігі химиялық реакцияларға түседі, нәтижесінде фотографиялық бейне пластинкада физикалық түрде қалыптасады. Жарық маскадағыдай бейнеге түскенде дифракция эффектісі пайда болады. Бұл УК-лампадан шыққан өткір бағытталған жарықтың масканың қарамағында таралуына және қашықтық артқан сайын бұлыңғырлануына әкеледі. 1970 жылдардағы ерте жүйелерде бұл эффектілерден аулақ болу үшін масканы пластинка бетіне тікелей жанастырып, арақашықтықты азайту қажет болды. Масканы көтергенде, көбінесе резисттің қаптамасын жұлып алып, пластинканы бүлдіретін еді. Дифракциясыз бейне алу мәселесі ақырында 1970 және 1980 жылдардың басында чип өндірісінде басым болған проекциялық тегістегіш жүйелер арқылы шешілді. Мур заңының үздірсіз дамуы проекциялық тегістегіштердің мүмкіндіктерінің шегіне жетті. Олардың қызмет ету мерзімін ұзарту үшін УК сәулелердің толқын ұзындығын алдымен DUV, содан кейін EUV-қа көшіруге тырысты, бірақ осы толқын ұзындығындағы жарықтың аз мөлшері машиналарды тиімсіз етіп, үлкен шамдар мен ұзақ экспозиция уақытын қажет етті. Бұл мәселе кескінді кішірейту үшін линзаларды қолданатын және үлкен өлшемдегі масканы пайдаланатын степперлерді енгізу арқылы шешілді. Бұл жүйелер тегістегіштерге ұқсас түрде жақсартылып келді, бірақ 1990 жылдардың соңында олар да осындай мәселелерге тап болды. Сол кезде кішірек элементтерге көшуді қалай жалғастыру керектігі туралы қызу пікірталас болды. Жұмсақ рентген сәулелері аймағында эксимер лазерлерін қолданатын жүйелер бір шешім болды, бірақ олар өте қымбат және жұмыс істеу қиын болды. Осы кезде ажыратымдылықты арттыру әдістері қолданыла бастады.

Integrated circuits are created in a multi step process known as photolithography. This process starts with the design of the IC circuitry as a series of layers than will be patterned onto the surface of a sheet of silicon or other semiconductor material known as a wafer. Each layer of the ultimate design is patterned onto a photomask, which in modern systems is made of fine lines of chromium deposited on highly purified quartz glass. Chromium is used because it is highly opaque to UV light, and quartz because it has limited thermal expansion under the intense heat of the light sources as well as being highly transparent to ultraviolet light. The mask is positioned over the wafer and then exposed to an intense UV light source. With a proper optical imaging system between the mask and the wafer (or no imaging system if the mask is sufficiently closely positioned to the wafer such as in early lithography machines), the mask pattern is imaged on a thin layer of photoresist on the surface of the wafer and a light (UV or EUV) exposed part of the photoresist experiences chemical reactions causing the photographic pattern to be physically created on the wafer. When light shines on a pattern like that on a mask, diffraction effects occur. This causes the sharply focused light from the UV lamp to spread out on the far side of the mask and becoming increasingly unfocussed over distance. In early systems in the 1970s, avoiding these effects required the mask to be placed in direct contact with the wafer in order to reduce the distance from the mask to the surface. When the mask was lifted it would often pull off the resist coating and ruin that wafer. Producing a diffraction free image was ultimately solved through the projection aligner systems, which dominated chip making through the 1970s and early 1980s. The relentless drive of Moore's law ultimately reached the limit of what the projection aligners could handle. Efforts were made to extend their lifetimes by moving to ever higher UV wavelengths, first to DUV and then to EUV, but the small amounts of light given off at these wavelengths made the machines impractical, requiring enormous lamps and long exposure times. This was solved through the introduction of the steppers, which used a mask at much larger sizes and used lenses to reduce the image. These systems continued to improve in a fashion similar to the aligners, but by the late 1990s were also facing the same issues. At the time, there was considerable debate about how to continue the move to smaller features. Systems using excimer lasers in the soft X ray region were one solution, but these were incredibly expensive and difficult to work with. It was at this time that resolution enhancement began to be used.

Негізгі түсінік

Әр түрлі ажыратымдылықты арттыру жүйелерінің негізгі түсінігі – белгілі бір жерлерде дифракцияны пайдаланып, басқа жерлердегі дифракцияның әсерін теңестіру. Мысалы, жарық маскадағы сызықтың айналасында дифракцияланғанда, жарық және қара сызықтардың немесе «жолақтардың» тізбегі пайда болады, бұл қажетті өткір бейнені бүркемелейді. Бұл әсерді жою үшін, екінші бейне салынады, оның дифракциялық суреті қажетті элементтермен сәйкес келеді және жолақтары бастапқы бейненің жолақтарымен қабаттасады, нәтижесінде қарама-қарсы әсер туындайды – жарыққа қараңғы немесе керісінше. Осы сияқты бірнеше элементтер қосылады, ал біріктірілген бейне бастапқы элементті құрайды. Әдетте, маскадағы осы қосымша элементтер қажетті элементке параллель қосымша сызықтар сияқты көрінеді. Осы бейнелеу мүмкіндіктерін қосу 2000 жылдардың басынан бері үнемі жетілдіріліп келе жатқан сала болып табылады. Қосымша бейнелеуді пайдаланумен қатар, қазіргі заманғы жүйелер фазалық ығысу материалдарын, көп ретті бейнелеу және басқа да техникаларды қосады. Олардың бірлескен жұмысы элементтердің мөлшерінің оптикалық дифракция шегінен әлдеқайда төменге дейін азаюына мүмкіндік берді.

Қателіктерді жоюды жақсартуды қолдану

Дәстүр бойынша, IC дизайны физикалық орналасуға айналғаннан кейін, уақыты тексерілгеннен және көпбұрыштар DRC талаптарына сәйкес екені расталғаннан кейін, IC өндіріске дайын болды. Әр түрлі қабаттарды көрсететін дерек файлдары маскалық шеберханаға жіберілді, онда маска жазу құралдары әр дерек қабатын тиісті маскаға түрлендірді, ал маскалар өндіріс орнына (fab) жеткізілді, онда олар кремнийдегі дизайндарды қайталап өндіру үшін қолданылды. Бұрын IC орналасуын жасау электрондық жобалауды автоматтандыру процесінің соңы болды. Бірақ Мур заңының арқасында элементтердің өлшемдері кішірейіп, бұрын елеусіз деп есептелген жаңа физикалық эффектілер енді кремний пластинасында қалыптасқан элементтерге әсер етеді. Сондықтан, соңғы орналасу силицийдегі қалаған нәрсені көрсетсе де, маскалар жасалып, жіберілгенге дейін орналасу бірнеше EDA құралдары арқылы айтарлықтай өзгеріске ұшырауы мүмкін. Бұл өзгерістер құрылғының бастапқы жобасын өзгертпейді, тек өндірістік жабдықтың, көбінесе бір-екі буын артта қалған IC жасауға арналған және оңтайландырылған, жаңа құрылғыларды өндіруге мүмкіндік беру үшін қажет. Бұл өзгерістерді екі түрге бөлуге болады. Біріншісі – бұрмалауды түзету, яғни өндіріс процесінде туындайтын бұрмалауларды алдын ала есепке алу, мысалы, фотолитография, гравировка, тегістеу және жабындау сияқты процестерде. Бұл бұрмалаулар өлшеніп, тиісті модель құрылады, ал компенсация әдетте ережелерге немесе модельге негізделген алгоритмдерді пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Фотолитографиядағы басып шығару бұрмалауларын түзету үшін бұл түзетулер оптикалық жақындық түзетуі (OPC) деп аталады. Ретикулді жақсартудың екінші түрі – процестің өндірілуі мен ажыратымдылығын жақсарту. Мысалдар:

RET техникасы Өндіріс қабілетін жақсарту Шашыраңқы таяқшалар Суб-резолюциялық ассистенттік элементтер, оқшауланған элементтердің тереңдік фокусын жақсартады. Фазалық ығысу маскасы Масканың белгілі бір аймақтарынан кварцты кесу (alt PSM) немесе CD басқаруын жақсарту және ажыратымдылықты арттыру үшін хромды фазалық ығысу молибден силицидінің қабатымен (көшірілген PSM) алмастыру. Қосымша өндіріс қабілетін жақсарту техникалары Әрбір өндіріс қабілетін жақсарту техникасы үшін жақсартуға келмейтін немесе басып шығару кезінде мәселе тудыратын белгілі бір орналасулар бар. Бұл орналасулар талаптарға сәйкес келмейтін болып саналады. Оларға жобалау кезеңінде жол берілмейді, мысалы, радикалды шектеулі жобалау ережелерін қолдану арқылы және/немесе қажет болған жағдайда қосымша DRC тексерулерін жасау арқылы. Литографиялық компенсациялар мен өндіріс қабілетін жақсартулар әдетте ажыратымдылықты жақсарту техникалары (RET) деп топтастырылады. Мұндай техникалар 180 нм түйінінен бастап қолданылып келеді және ең кішкентай элемент өлшемі бейнелеу толқын ұзындығынан (қазіргі уақытта 13,5 нм-ге дейін) айтарлықтай төмен болғанда одан да белсенді қолданыла бастады. Бұл өндіріс үшін жобалаудың (IC) немесе DFM жалпы санатына жақын және оның бір бөлігі болып табылады. RET-тен кейін EDA ағынындағы келесі қадам әдетте маскалық деректерді дайындау болып табылады.