Fotolitografia (Photo)

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Obiettivo della fotolitografia• Creo la fotomaschera: una lastra di 

quarzo, coperta da un sottile strato di cromo, nella quale è stata riprodotta la forma del circuito che voglio riprodurre sul wafer.

• Trasmetto la forma geometrica al materiale fotosensibile (Photoresist), mediante esposizione alla luce UV.

• Ottengo un tracciato (pattern) di Photoresist che utilizzo come maschera per il mio processo di etch o di impiantazione

maschera

stepper/scanner

Resist pattern

Esposizione alla luce UV 

silicon substrate

oxide

photoresist

Spazio

L’area esposta alla luce diventa solubile

Pattern risultante dopo lo sviluppo del resist

photoresist

silicon substrate

oxide

Luce Ultravioletta

Linea

Area esposta del Photoresist

Maschera di vetro coperta di Cromo

Fotomaschere• Lastra di quarzo (trasparente 

agli UV) • coperta da uno strato sottile 

(100 nm) di cromo depo‐sitato per sputtering

• coperto a sua volta da un resist sensibile agli elettroni

• Procedura:

• si impressiona il resist nel disegno voluto usando scrittura diretta con un fascio elettronico;• si sviluppa e• si elimina il cromo scoperto con un attacco chimico;• si toglie il resist rimasto

Cos’e` il Photoresist ?

• Resina (10%)

– Novolacche• composti fenolformaldeide simili a polimeri

• Componente Fotosensibile (5%)

– Photo Active Compound (PAC)

• DNQ (diazonaphthoquinone)

• Solvente (85%)

– Evaporano durante i processi

Reazioni chimiche con il photoresist• Il photoresist consiste di polimero novolacca 

(resine fenoliche), con una piccola quantità aggiunta di DNQ (diazonaphtachinone), il tutto disciolto nel solvente; il DNQ è un composto idrofobico non facilmente ionizzabile. 

• Dopo l’esposizione il DNQ è convertito in indere acido carbossilico (ICA), che è idrofilo e facilmente ionizzabile, ciò permette al developer di bagnare e penetrare la resina novolacca; 

• Quindi le resine fenoliche che contengono (ICA), a causa del gruppo idrossidrile (OH‐),  sono facilmente sciolte in soluzioni acquose alcaline (NaOH, KOH, NH4OH).

Resist positivo e negativo• Per i resist positivi la regione esposta 

diviene maggiormente solubile, e viene rimossa durante il processo di sviluppo. Come risultato finale, le sagome che si formano nel resist (pattern) sono le stesse presenti sulla maschera.

• Il resist positivo è quello che dà maggiore risoluzione

• Per i resist negativi, la regione esposta diventa molto meno solubile e le sagome formate sono il negativo delle immagini presenti sulla maschera.

Risposta all’esposizione dopo lo sviluppo• Curva di risposta: solubilità 

del resist dopo esposizione e sviluppo in funzione dell’energia di esposizione.

• Sezione dell’immagine : relazione esistente tra i bordi dell’immagine sulla maschera fotolitografica  e i bordi corrispondenti dell’immagine sul resist dopo lo sviluppo.

Metodi di esposizione Stampa per trasparenzaIl processo di trasferimento dei tracciati (pattern transfer) è condotto usando uno strumento di esposizione fotolitografica.Esistono due tecniche fondamentali di esposizione ottica: la stampa per trasparenza e la stampa per proiezione.Nel primo caso la maschera e la fetta possono essere a diretto contatto (fig. di sinistra) o molto vicine, ma separate (fig. di destra).Il primo metodo ottiene una risoluzione migliore (circa 1m) ma è soggetta all’inconveniente provocato dalla possibile presenza delle particelle di polvere, che se presenti sulla fetta, possono essere inclusi nella maschera quando viene posta a contatto e possono quindi danneggiarla in maniera permanente..Per eliminare il problema delle particelle si utilizza il metodo di esposizione per prossimità, in cui la maschera viene distanziata dalla fetta di una spaziatura di 10-50 m. Questo metodo, tuttavia, ottiene una risoluzione inferiore (2-5 m) per effetto del fenomeno della diffrazione ai bordi delle sagome presenti sulla maschera (ossia quando la luce passa in vicinanza dei bordi delle sagome opache, subisce una deviazione dalla direzione rettilinea (diffrazione) e parte della luce invade anche le zone d’ombra. Anche questo metodo, inoltre, non garantisce di evitare completamente il danneggiamento della maschera, poichè, per una data distanza di separazione tra la maschera e la fetta, ogni particella di polvere avente un diametro superiore può potenzialmente danneggiare la maschera.

Metodi di esposizioneStampa per proiezione

• Per i problemi legati al danneggiamento della maschera, tipici della stampa per trasparenza, sono stati sviluppati particolari strumenti di esposizione per la stampa per proiezione. 

• Tali apparati sono ingrado di proiettare l’immagine delle sagome presenti sulla maschera sulla fetta ricoperta di resist, da una distanza di parecchi cm dalla maschera stessa.

Reticle

Projection Unit

Ultra Violet Light

Sistema di proiezione

wafer

v

vvv

v

vv

Objective lens

reticle

Condenserlens

Light source

Aperturestop

v

wafer

v

vvv

v

vv

vvv

v

vv

Objective lens

reticle

Condenserlens

Light source

Aperturestop

v

Luce proveniente dalla sorgente e proiettata nella

pupila di entrata della Obj lens

Immagine della sorgente proiettata nella pupila di entrata della Obj lens

Luce diffratta dal reticolo e passante attraverso l’apertura della lente

projection lensEntrance Pupil

Definizione di Apertura Numerica (NA)

object

NA = n sin i

Numerical Aperture

NA = n sin i

Numerical Aperture

projection lensEntrance Pupil

NA = Numerical Aperture = Angular Measure of Lens Size

o = max. Acceptance angle (at object)o = max. Acceptance angle (at object)

i = max. acceptance angle (at image)i = max. acceptance angle (at image)

(wafer)

(reticle)

Image

Illuminazione di un reticolo periodicoin

tens

ity

position

0 order

-1 order +1 order Secondo il principio di Huygen, il reticolo agisce come una sorgente di onde sferiche secondarie, che interferiscono tra loro dando massimi e minimi di intensità. Le intensità dei massimi sono dette Ordinidi diffrazione.

Ordini di Diffrazionen = 0

n = -/+1

n = -/+2(not presentif the duty cycleis 50%)

Ricombinazione degli ordini• Il reticolo diffrange la luce in ordini di diffrazione.

• Gli ordini contengono informazioni sulle sagome presenti nel reticolo.

• Una lente è in grado di ricombinare gli ordini per formare un’immagine.

Limite della risoluzione

• Per riprodurre l’immaginela lente deve riuscire a catturare almeno gli ordini0 e |1| di diffrazione.

• L’immagine finale è la Trasformata Inversa di Fourier in cui i diversi ordini di diffrazione (frequenze spaziali) vengono ricomposti per formare l’immagine.

Courtesy of:

Risoluzione OtticaIntensita’ di Immagine e sua posizione sul wafer

X

X

L’obiettivo riesce a catturare solamente l’ordine numero 0

posizione X

L’obiettivo riesce a catturare gli ordini # 0 e 1 (limite di risoluzione)L’obiettivo riesce a catturare gli ordini # 0, 1 e 2

L’obiettivo riesce a catturaregli ordini # 0, 1, 2 e 3

II

Risoluzione limite• Poiché l’angolo di diffrazione è dato da: 

sin  = n∙/pitch• Il limite inferiore della risoluzione si ha quando 

viene catturato dalla lente solo il primo ordine di diffrazione, ovvero quando 

= (cioè l’angolo di apertura della lente eguaglia l’angolo del primo ordine) ovvero:

sin  = /pitch (n=1)da cui si ottiene il minimo passo risolto: 

sin = NA = /pitch

NApitch

sin

:Limit Resolution

pitch < NA

No imaging

pitch > NA

Imaging!!-1

= 310 nm, CD > 155 nmCaso 2): pitch >248nm0.80

= 354 nm, CD > 177 nmCaso1): pitch > 248nm0.70

= 257 nm, CD > 129 nmCaso 3): pitch >193nm0.75

0 +1

+10-1

pitch = NA

Resolution limit:

pupilof the lens

Risoluzione Limite e Apertura della Lente

La lente cattura solo l’ordine 0 di diffrazione

La lente cattura gli ordini 0 e 1 di diffrazione

Profondità di fuoco

2)(2sin2/

tan2/

NAnllDOF mm

Effetto dell’ NA sulla DOF2)(2 NA

nDOF

NA

eRisoluzion

Esempio di Variazione di Fuoco

Fuoco ideale

Sottofuoco

Soprafuoco

Compromesso tra Risoluzione e DOF

2)(2 NAnDOF

NA

eRisoluzion

• Diminuendo :• la risoluzione migliora• la DoF peggiora

•Aumentando NA:• la risoluzione migliora• la DoF peggiora in rapporto quadratico

A parita di risoluzione, si ottiene un miglior processo usando minori e NA minoriPer migliorare la risoluzione e` meglio diminuire che aumentare NA

Sorgente di illuminazione• I-Line

▶ Lampada al mercurio

λ= 365 nm, Resmax=0.3 μm

• DUV

▶ KrF Laser

= 248 nm, Resmax=0.18 μm

▶ ArF Laser

λ = 193 nm, Resmax=0.1 μm

Processi Fotolitografici

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Step di Fotolitografia

Preparazione della superficie (Vapor Prime)

• La superficie della fetta di silicio viene riscaldata in maniera che il vapor acqueo che e’ presente sulla superficie e negli interstizi superficiali, possa evaporare; 

• La fetta viene resa idrofobica mediante l’infiltrazione (Prime) di un materiale idrofobico (HMDS‐ Hexa‐methylene‐di‐siloxane) per migliorare l’adesione del fotoresist sul silicio.

• Temp ~ 90 ‐ 150C• Time ~ 10 ‐ 90 sec.

HMDS

Applicazione del Photoresist(Spin Coat)

• La superficie della fetta di silicio viene bagnata con piccole quantita’ di solvente (Solvent pre‐wet) per ridurre l’attrito che il fotoresist trovera’ sulla fetta durante la sua deposizione; 

• Una goccia di resist viene fatta cadere sulla fetta. Mettendo la fetta in rotazione (spin) se ne ottiene la totale copertura (Coat).

– Dispense ~ 1 ‐ 5ml di photoresist– Slow spin ~ 500 rpm– Ramp up to ~ 3000 ‐ 5000 rpm

vacuum chuck

spindleto vacuum

pump

photoresist dispenser

Soft Bake• Softbake:  la fetta e’ posta su un piatto caldo 

per far evaporare i solventi.

• Produce questi effetti sul resist:– Determina lo spessore del film

– Migliora l’adesione

– Migliora l’uniformita`

– Migliora la resistenza all’etch

– Migliora il controllo sulla larghezza delle linee

– Ottimizza le caratteristiche di assorbimento della luce

• Temp ~ 100 ‐ 130C• Time ~ 90 sec.

Esposizione del Photoresist(Alignment)

• Il disegno del Reticolo viene illuminato tramite una luce UV e la sua immagine raggiunge la superficie della fetta.

• L’esposizione alla luce cambia la struttura chimica del resist trasformandolo in un materiale solubile.

• Le lunghezze d’onda (λ) della luce utilizzate per creare l’immagine del reticolo sulla fetta sono:

– 365 nm (i‐line)

– 248 nm (DUV)

UV Light Source

Mask

ResistResist

Cottura dopo l’esposizione(Post‐Exposure Bake)

• La fetta subisce un processo di riscaldamento (bake) che ha la funzione di:

– Fornire l’energia di attivazione delle reazioni chimiche nel photoresist

– Far evaporare i solventi residui del photoresist

– Migliorare l’adesione

• Temp ~ 110 ‐ 130C• Time ~ 90 sec.

Sviluppo del resist(Development)

• Il resist esposto e’ diventato solubile in una soluzione acquosa.

• La fetta viene bagnata per un certo tempo con una soluzione leggermente basica. 

• Di solito si usano soluzioni acquose alcaline come NaOH, KOH, NH4OH.

• Successivamente subisce una rotazione veloce (spin) che ne permette l’asciugatura.

• Il tempo in cui la fetta resta bagnata dal chimico dipende dallo spessore del resist utilizzato (30‐60 sec).

vacuum chuck

spindle

developerdispenser

After Development Inspection(ADI)

• Ispezione SEM per verificare:– Difettosita`– Particelle– Dimensioni critiche– Risoluzione di larghezza di linea

– Accuratezza dell’allineamento

Le Stepper/Scanner

Tecniche di esposizione• Sistema di proiezione 

con ingrandimento 1:1a) Scansione a campo 

anulare della fetta

b) step‐and‐repeat

• Sistema di proiezione con rapporto di riduzione M:1c) step‐and‐repeat

d) step‐and‐scan

Stepper

III

Scanner

III

StepperStep‐and‐repeat

Reticle Wafer

Lens

Step‐and‐scan (Scanner)

ReticleWaferLens

Slit

III

Critical Dimension (CD)• Le misure di Critical Dimension (CD) vengono effettuate dopo lo step di 

Photo development (ADI CD) dopo il processo di Etch (ACI CD) per assicurare che la struttura patternata ha incontrato i requisiti di design.  

• La locazione di queste misure cambia a seconda se la maschera di livello ha creato una linea o uno spazio (contatto).

• E` importante conoscere dove e come le misure di CD vengono effettuate per capire come il cambiamento della Dose possa impattare le CD:– Linee, si diminuisce la dose per aumentare le CD– Spazi, si aumenta la dose per aumentare le CD

Critical Dimension (CD)contacts lines

space

Critical Dimension (CD)

• Linea/Spazio

T

MB

T

B

M

3 misure sono rilevabili:

•Top (cima)

•Middle (mezzo)

•Bottom (fondo)

Qualsiasi cosa si misuri, per il SEM la parte stretta e` il top, quella larga e`

il fondo. E` l’osservatore che deve sapere cosa si sta misurando!

Linea Spazio

Critical Dimension (CD)

• Passo (Pitch) • E` la distanza tra il bordo in salita di due strutture affiancate

▶ Si puo` considerare questa misura come un caso particolare di misura di linea.

Pitch

0.80um

0.80um

Critical Dimension (CD)

3. Diametro di un contattoSimilmente alle misure su linea, anche il contatto puo` essere misurato su piu` livelli

A volte capita che vi siano contatti sovrapposti ad altri contatti

A volte capita che il contatto attraversi diversi strati

Layer 1Layer 2Layer 3Contact