Integrierter Schaltkreis-Lithographie--Gemeinschaftlicher Ätzprozess

Lithographie und Ätzen sind die beiden Kernprozesse der nanoskaligen Musterübertragung, und ihre Auflösung, Genauigkeit und Konsistenz bestimmen zusammen die Obergrenze der Geräteleistung und -ausbeute.

In diesem Artikel werden die wichtigsten Mechanismen, Kontrollparameter und die neuesten technologischen Entwicklungen des gesamten Prozesses der Fotolackbeschichtung, Belichtung, Entwicklung und Ätzung systematisch erläutert.

Die Einzelheiten lauten wie folgt:

Lithographieverfahren

Ätzverfahren

Lithographieverfahren

Bei der Herstellung integrierter Schaltkreischips reproduziert der Lithographieprozess als Kerntechnologie der Musterübertragung das Schaltungsdesign auf der Maske Schicht für Schicht auf die Waferoberfläche durch präzise optische und chemische Prozesse, und seine technologische Entwicklung drehte sich immer um die Verbesserung der Auflösung und die Optimierung der Prozessstabilität.

Auftragen von Fotolack

Der Prozess beginnt mit der Schleuderbeschichtungsphase des Fotolacks -, nachdem der Wafer im Vakuum-adsorbiert und auf dem Auflagetisch des Schleuderbeschichters fixiert wurde. Der tropfende Fotolack bildet mit Hilfe der Zentrifugalkraft bei einer hohen Geschwindigkeit von Tausenden von Umdrehungen pro Sekunde einen gleichmäßigen Film, und die Filmdicke wird durch die kolloidale Viskosität, die Lösungsmitteleigenschaften und die Rotation präzise gesteuert Parameter.

Da Fotolack als lichtempfindliches Harzmaterial sehr temperatur- und feuchtigkeitsempfindlich ist, muss der Fotolackbereich mit gelbem Licht beleuchtet werden und eine Umgebung mit konstanter Temperatur und Luftfeuchtigkeit strikt aufrechterhalten werden, um Schwankungen der Materialeigenschaften zu vermeiden.

Arten von Fotolacken

Fotolacke werden nach ihren Entwicklungseigenschaften in zwei Kategorien eingeteilt: Nach der Belichtung löst sich der belichtete Bereich im Entwickler auf und der unbelichtete Bereich bleibt erhalten; Der Negativkleber ist das Gegenteil und der unbelichtete Bereich wird entfernt. Die konkrete Wahl hängt von den topologischen Anforderungen des Schaltungsmusters ab, beispielsweise bei dichten Linienstrukturen, bei denen positive Klebstoffe bevorzugt werden, um Kantenüberbrückungsdefekte zu vermeiden.

Vor-gebacken

Nach der Schleuderbeschichtung wird der Wafer in einer Stickstoffatmosphäre auf etwa 80 Grad erhitzt, um die Verflüchtigung des restlichen Lösungsmittels im Film zu fördern, die Haftung zwischen der Klebeschicht und dem Substrat zu verbessern und die Widerstandsfähigkeit gegen Belichtungsstörungen zu verbessern.

EBelichtung

Die Belichtungsphase ist ein entscheidender Teil der Musterübertragung, bei der der Wafer in eine Stepper-Belichtungsmaschine oder einen Scanner geladen wird. Herkömmliche Stepper projizieren das Maskenmuster im vierfachen Maßstab durch ein Zoomlinsensystem auf die Waferoberfläche, wobei die Auflösung einer Formel folgt

R=kλ/NA

Dabei ist λ die Wellenlänge der Lichtquelle, NA die numerische Apertur der Linse und k der Prozesskoeffizient. Derzeit verwendet die gängige Lichtquelle einen ArF-Excimer-Laser mit einer Wellenlänge von 193 nm und eine Linse mit hoher NA, um eine Auflösung unterhalb der Wellenlänge zu erreichen. Um die physikalischen Beugungsgrenzen zu durchbrechen, werden häufig hochauflösende Techniken wie Doppelbelichtung, Phasenverschiebungsmasken und optische Proximity-Effekt-Korrektur eingesetzt. Als verbesserte Form eines Steppers ersetzt der Scanner die Belichtung in voller Breite durch eine Schlitzscanbelichtung, wodurch das Sichtfeld effektiv erweitert und der Einfluss von Linsenaberrationen verringert wird. Er ist zu einer Standardausrüstung in fortgeschrittenen Prozessen geworden.

Nach der Belichtung ist ein Post-Belichtungsbacken (PEB) erforderlich, das durch leichte Wärmebehandlung das säureproduzierende Mittel im Fotolack aktiviert, wodurch säurekatalytische Reaktionen gefördert, stehende Welleneffekte reduziert und Musterkantenkonturen geschärft werden.

Entwicklung

Beim Entwicklungsprozess wird der belichtete Bereich des Positivklebers im alkalischen Entwickler aufgelöst, wodurch ein Reliefmuster entsteht, das mit der Maske übereinstimmt. Negativkleber wird durch Auflösen des unbelichteten Bereichs definiert. Nach der Entwicklung muss es hart gebacken und ausgehärtet werden, um die Ätzbeständigkeit des Fotolacks zu erhöhen und eine Schutzmaske für das anschließende Ätzen oder die Ionenimplantation bereitzustellen.

In den letzten Jahren hat die Technologie der Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUV) die Auflösungsgrenze der herkömmlichen optischen Lithographie mit einer 13,5-nm-Kurzwellen-Lichtquelle durchbrochen und ist zur zentralen Belichtungslösung für Prozesse mit 7 nm und weniger geworden. In Kombination mit mehreren Strukturierungstechnologien wie Self-aligning Dual Imaging (SADP) und self-aligning Quadruple Imaging (SAQP) erreicht die EUV-Lithographie eine höhere Integration bei gleichzeitiger effektiver Kontrolle von Prozesskosten und Erträgen.

Darüber hinaus ermöglicht die Nanoimprint-Lithographie (NIL) als ergänzende Technologie die Herstellung von Mustern im Sub-10-nm-Bereich mit hochpräziser Prägung in bestimmten Szenarien, was ein einzigartiges Anwendungspotenzial darstellt. Die koordinierte Entwicklung dieser Technologien fördert weiterhin die Entwicklung von Lithographieprozessen in Richtung höherer Präzision und geringerer Fehlerraten und unterstützt technologische Innovationen und Produktiterationen in der Halbleiterindustrie.

Ätzverfahren

Beim Ätzprozess bei der Herstellung integrierter Schaltkreise erreichen Trocken- und Nassätzen die Bildung dünner Filmmuster durch präzise Steuerung des Materialentfernungsprozesses, und beide ergänzen sich hinsichtlich technischer Pfade und anwendbarer Szenarien.

Trockenätzung

Beim Trockenätzen wird reaktives Ionenätzen (RIE) als Kern verwendet, und die Ausrüstung verwendet eine parallele Plattenstruktur: Der Wafer wird in der unteren Elektrode in der Vakuumkammer platziert, die obere Elektrode wird geerdet und das injizierte Gas wird durch Anlegen einer Hochfrequenzspannung angeregt, um ein Plasma zu bilden, das positive Ionen, freie Radikale und andere aktive Partikel erzeugt.

Diese Partikel bombardieren die Oberfläche des Materials vertikal unter der Beschleunigung des elektrischen Feldes und reagieren chemisch mit der Zielschicht, um flüchtige Produkte zu erzeugen, die über das Vakuumsystem entladen werden, um einen anisotropen Ätzeffekt zu erzielen. Der Schlüssel zu diesem Prozess ist ein hohes Selektionsverhältnis, das heißt, der Unterschied in der Ätzrate zwischen dem Fotolack und der Materialschicht muss groß genug sein, um die Genauigkeit der Musterübertragung sicherzustellen. Gleichzeitig ist es notwendig, den Mikroladeeffekt zu hemmen, um Schwankungen der Ätzrate aufgrund lokaler Musterdichteunterschiede zu vermeiden und elektrostatische Schäden und die Einführung von Verunreinigungen zu reduzieren. Um die Genauigkeit zu verbessern, verwendet die moderne RIE-Technologie häufig induktiv gekoppelte Plasmaquellen (ICP) oder kapazitiv gekoppelte Plasmaquellen (CCP), kombiniert mit gepulster Stromversorgung und Magnetfeldverstärkungstechnologie, um eine Steuerung im Nanomaßstab zu erreichen.

Nassätzung

Das Nassätzen beruht auf der direkten Reaktion zwischen chemischer Flüssigkeit und Material und ist in zwei Modi unterteilt: Eintauchen und Rotation. Beim Eintauchtyp wird der Wafer in die chemische Lösung im Ätztank eingetaucht und die Reaktionsgeschwindigkeit durch Diffusion gesteuert. Der Rotationstyp nutzt die Strömungsmechanik, um die Stoffübertragungseffizienz durch Drehen des Wafers und Versprühen chemischer Flüssigkeit zu verbessern.

Da das Nassätzen von Natur aus isotrop ist, schränken seine seitlichen Bohreigenschaften die Mikrofertigungsfähigkeit ein und die Fotolackmaske wird durch chemische Flüssigkeiten leicht erodiert. Daher wird es hauptsächlich für die Verarbeitung großer Strukturen oder spezifischer Materialien (wie Metall, Aluminium, Oxid) verwendet. Nach dem Ätzen muss der restliche Fotolack durch Plasma-Entformung oder chemisches Peeling entfernt werden, wobei beim Plasma-Entformen Sauerstoffplasma zum Zersetzen der Klebeschicht verwendet wird und das chemische Peeling mit einem speziellen Lösungsmittel selektiv aufgelöst wird.

In den letzten Jahren hat sich die Ätztechnologie in Richtung höherer Präzision und Umweltschutz weiterentwickelt. Im Trockenbereich erreicht die Atomlagenätzung (ALE) eine präzise Entfernung auf Einzelatomebene durch abwechselnde selbst-limitierende Reaktionen und kombiniert hochselektive Materialien mit optimierten Plasmaparametern, um die Auflösungsgrenzen der herkömmlichen RIE zu verschieben. Gleichzeitig fördern die dreidimensionale Stapelstruktur und der Bedarf an fortschrittlichen Gehäusen die Entwicklung von Tiefätzverfahren für Silizium, Ätzen dielektrischer Schichten mit hohem Aspektverhältnis und anderen Technologien sowie den Einsatz von Niedrigtemperatur-Plasma- und Gasmischungsstrategien zur Reduzierung von Seitenwandschäden. Im Hinblick auf Nassverfahren ist die Forschung und Entwicklung umweltfreundlicher chemischer Lösungen (z. B. fluor-freie und geringe-Toxizitätsformeln) zu einem Trend geworden, mit Online-Überwachung und geschlossenen-Loop-Steuerungssystemen, um eine präzise Steuerung der Ätzrate und eine ungefährliche Behandlung von Abfallflüssigkeiten zu erreichen.

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Darüber hinaus bieten hybride Ätztechniken wie der kombinierte Nass-Trockenprozess Vorteile in bestimmten Szenarien, wie z. B. der Reduzierung der Materialbelastung durch nasse Vorbehandlung und anschließendes Trocknen feiner Musterformung. Diese Innovationen treiben den Ätzprozess weiterhin in effizientere, umweltfreundlichere und präzisere Richtungen und unterstützen die kontinuierliche Verbesserung der Leistung und Integration von Halbleiterbauelementen.